王生波
(山東山推工程機(jī)械股份有限公司,山東 濟(jì)寧,272073)
目前應(yīng)用比較廣泛的調(diào)速方法是開環(huán)V/f(恒壓頻比控制方法)控制。雖然這種方法比較簡單,但是如果在低速運(yùn)行的時(shí),此種方法性能缺陷非常明顯。這是因?yàn)槎ㄗ与娮璧臋z測、定子電阻壓降的補(bǔ)償以及轉(zhuǎn)差補(bǔ)償無法實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。為了解決這個(gè)問題,文章提出了基于氣隙功率補(bǔ)償改善電機(jī)低速性能方法。該方法充分利用定子磁場矢量定向的思想,而且在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中只需要定子電阻和電機(jī)的額定銘牌參數(shù)確定即可,并且算法的通用性也可以大大增加。
圖1 2種坐標(biāo)系下的矢量關(guān)系
在忽略漏阻抗相對(duì)定子電阻時(shí),定子電壓、磁場矢量關(guān)系如圖1所示。
圖1中的(d,q)和(x,y)分別是定子磁場、電壓矢量定向下的坐標(biāo)軸。和Vs分別是功率因數(shù)角和電壓矢量幅值。(ids,iqs)和(ix,iy)是電流。
假設(shè)ia,ib,ic是三相對(duì)稱電流,則有功、無功電流分量在穩(wěn)態(tài)時(shí)可表示為:
通過電壓和電流的矢量關(guān)系可得:
式(2)中,Im為電流幅值。
因?yàn)槎ㄗ勇┳杩故呛雎圆挥?jì)的,所以可以得出以下結(jié)論,那就是氣隙磁通就等于定子磁通。所以此時(shí)的氣隙反電動(dòng)勢可表示成:
設(shè)VR是額定反電動(dòng)勢幅值電壓,fR是額定功率,f1是給定功率,所以有:
如果把式(5)代入到式(4)中,即可得出:
把式(2)代入到式(6)中,則能表示為:
由式(6)可以看出,只需要電流矢量的瞬時(shí)值就能算出Vs,這樣就能很好的提高系統(tǒng)的運(yùn)算速度。此種方法就是所謂的定子電阻壓降的矢量補(bǔ)償方法。
如果要轉(zhuǎn)子輸出速度保持不變,必須要滿足電機(jī)的運(yùn)行機(jī)械特性曲線為平行線的條件。為了確定負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)差的關(guān)系,必須要根據(jù)實(shí)際的電機(jī)力矩速度機(jī)械特性曲線特性,利用非線性轉(zhuǎn)差補(bǔ)償?shù)姆椒?。轉(zhuǎn)差頻率可表示成:
式(8)和(9)中,A,B 為常量,分別為 :
式(10)中,p和Pgap分別是電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)和氣隙功率T是電機(jī)過載倍數(shù),fslip、f1*和fN分別是轉(zhuǎn)差、設(shè)定和額定頻率,sN和TN分別是額定轉(zhuǎn)差、力矩。
如果參數(shù)T很大,A、B很小,線性力矩速度近似公式就能通過簡化式(8)得到:
氣隙功率通過電機(jī)的功率平衡關(guān)系可表示為:
式(11)中,Pcore是電機(jī)內(nèi)部總損耗。在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中,Pcore很難精確算出,只有通過試驗(yàn)的方法近似的得到。額定運(yùn)行頻率下電機(jī)的額定損耗可表示成:
圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
式(13)、(14)中,s=fslip/fe,N 是額定效率,ImN是額定電流峰值。
氣隙功率可以通過式(12)~(14)算出來,轉(zhuǎn)差頻率可以把結(jié)果代入式(12)得到。圖2是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
為了驗(yàn)證此方法的正確性,進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn),測試結(jié)果如圖3~4所示。
圖3 3Hz額定負(fù)載時(shí)電流試驗(yàn)波形
圖4 試驗(yàn)得到的低頻力矩速度曲線
由圖3可以看出,電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),轉(zhuǎn)速很穩(wěn)定,基本沒有轉(zhuǎn)速誤差。
由圖4可以看出,在電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本上不隨負(fù)載力矩的變化而變化。
傳動(dòng)領(lǐng)域中最難解決的問題就是電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的性能不佳。文章提出的基于氣隙功率補(bǔ)償改善電機(jī)低速性能方法,此方法能很好的解決這個(gè)問題。其核心思想是,對(duì)系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的電阻壓降和轉(zhuǎn)差頻率進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償。為了驗(yàn)證此方法的正確性,文章還進(jìn)行了物理性測試。測試結(jié)果表明,此方法在低速時(shí)不但能很好的提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力,而且穩(wěn)態(tài)時(shí)的速度誤差也得到了很好的控制。
[1]楊濤.李文英.乳化液泵站液壓系統(tǒng)建模仿真與控制系統(tǒng)研發(fā)[D].太原:太原理工大學(xué),2008:86-87.
[2]劉建坤.張倫健.李曉.基于三電平的優(yōu)化SPWM調(diào)制算法的研究[J].電氣傳動(dòng),2013, 43(2):48-51.
[3]陸兵.劉維亭.三相SPWM 逆變器的調(diào)制建模和仿真[J].電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(1):132-134.
[4]賈曉梅.基于變頻調(diào)速技術(shù)的旋轉(zhuǎn)門智能控制系統(tǒng)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),2013,9(1):66-68.