基于matlab的磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

李爭光，楊 高

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基于matlab的磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真

李爭光，楊 高

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文提出了一種基于matlab磁力耦合器調(diào)速控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，以實際系統(tǒng)參數(shù)為例進行了仿真分析。分析結果與實際運行數(shù)據(jù)進行對比，證明了磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學模型的有效性，分析結果也用于指導控制系統(tǒng)設計與運行。

磁力耦合器 調(diào)速系統(tǒng) 數(shù)學模型 工程應用

0 前言

風機與泵是應用極其普遍的通用機械產(chǎn)品，廣泛用于電力、石化、冶金、建材、煤炭、水力及有色等行業(yè)，其耗用電能約占全國發(fā)電總量的三分之一。大多數(shù)風機或泵在使用過程中都存在大馬拉小車的現(xiàn)象，或出于工藝實際要求或出于節(jié)能的目的，壓力或流量需要經(jīng)常調(diào)節(jié)。目前調(diào)節(jié)壓力或是流量的方法很多，如：風門調(diào)節(jié)、變頻調(diào)速、變極調(diào)速、差動調(diào)速、液力耦合器調(diào)速等，以上調(diào)速的方法中存在損耗大、占地面積大、或者成本高、環(huán)境適應性差、電網(wǎng)諧波污染大等技術問題尚待解決[1]。

磁力耦合器，又稱永磁渦流調(diào)速器，是一種新型的調(diào)速設備，它通過電磁作用傳遞扭矩，具有構造簡單、無極平滑調(diào)速、安裝對中精度要求低、壽命長、維護簡單、不產(chǎn)生諧波污染電網(wǎng)等特點，尤其適用于風機、泵類調(diào)速應用市場，具有良好的節(jié)能效果。

最早開始對其應用研究的是美國MagnaDrive公司[2]，有較多的學者對其特性進行了充分的研究，主要是集中在密封、磁力傳動連接上。

在眾多國外學者研究中G Donoso為研究驅動器電磁振蕩之間的參數(shù)變化關系，建立了磁力耦合振蕩試驗模型[3]；Brauerd等人在應用磁驅動控制的液壓缸中發(fā)現(xiàn)，利用磁力耦合器控制能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的液壓負載[4]；Chvala,W.D等人進一步探討了磁力耦合器系統(tǒng)技術的性能和成本效益[5]，國內(nèi)的研究起步較晚，主要是應用實例[6,7,9]。對于磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)的能效性及控制參數(shù)的協(xié)調(diào)性研究比較少，本文提出一種基于matlab的磁力耦合調(diào)速系統(tǒng)的建模方法數(shù)學模型，可用于磁力耦合調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能分析，工程參數(shù)整定和指導現(xiàn)場調(diào)試。

1 磁力耦合器調(diào)速控制系統(tǒng)原理

磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)是將磁力耦合器連接在驅動電機和負載（風機、水泵）之間，調(diào)整磁力耦合器的氣隙來改變輸出的扭矩和轉速，達到調(diào)速目的。它由磁力耦合器、執(zhí)行器、調(diào)速控制器組成，如圖1 所示。根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)建立仿真模型,進行系統(tǒng)仿真，指導系統(tǒng)設計。

磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)采集系統(tǒng)中的壓力或是流量信號，與用戶給定的壓力或是流量進行比較，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，輸出控制電動執(zhí)行機構（氣隙調(diào)節(jié)裝置）來改變磁力耦合器的氣隙，從而改變輸出的轉速及轉矩，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力或是流量，從而達到恒壓力或是恒流量輸出目的，滿足了節(jié)能降耗的技術要求。

2 仿真模型的建立

2.1調(diào)速控制系統(tǒng)模型

調(diào)速系統(tǒng)模型主要包括磁力耦合器模塊、電動執(zhí)行器模塊、風機模塊、控制模塊（PID控制器），其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

根據(jù)圖2每個環(huán)節(jié)的數(shù)學模型及相互連接關系，畫出該調(diào)速系統(tǒng)的方框圖數(shù)學模型，如圖3所示。

2.2磁力耦合器模型塊

通過電磁仿真或者試驗方法可獲得T，n,X數(shù)據(jù)，如圖4所示（圖中作為示意，僅畫出三條曲線，實際曲線更加密集，一般為氣隙1mm間隔一條曲線。在simulink中通過查詢二維表建立磁力耦合器模型。

2.3電動執(zhí)行器模型塊

電動執(zhí)行器是過程控制的重要執(zhí)行器件，它的性能對控制系統(tǒng)有一定的影響。電動執(zhí)行器輸入是4～20 mA信號，輸出是0～90°。結構如圖5。伺服放大器由磁放大器、觸發(fā)電路和可控硅主電路組成。

由其結構圖及數(shù)學模型式（1）得到其仿真模型如圖6所示。

2.4風機模型塊

磁力耦合器擬在某企業(yè)的清水泵房中的備用泵上安裝使用，該泵的額定流量95m3/h，建立風機/泵的仿真模型，如圖7所示。

2.5控制器模型塊

控制器模塊實現(xiàn)了磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)，采用傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，先進的控制算法，實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠的控制。如圖8所示。系統(tǒng)給定的壓力或是流量與反饋的值進行差值運算，送至控制器模塊的u，經(jīng)過控制的PID運算，控制電動執(zhí)行器模塊。

3結果與分析

3.1動態(tài)運行

根據(jù)控制理論，在模型的輸入端加入階躍響應，系統(tǒng)輸出y從0上升到目標值1的63%的時間稱為系統(tǒng)的時間常數(shù)。通過仿真得到本系統(tǒng)的時間常數(shù)為=377 s，見圖9。根據(jù)經(jīng)典控制理論，PI參數(shù)的時間常數(shù)（和的比值）要比系統(tǒng)時間常數(shù)大一個數(shù)量級，得到以下不同的控制PID參數(shù)，其中讓獲得以下仿真結果。

從表1中數(shù)據(jù)和圖10、圖11可以看出磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過PID后系統(tǒng)穩(wěn)定時間都在數(shù)十秒，這是因為電動執(zhí)行器的機械執(zhí)行時間較長，這可以滿足實際的工程需要。從表中看出保證PI參數(shù)的時間常數(shù)是系統(tǒng)時間常數(shù)的20倍時，P較大時，I也較大時，系統(tǒng)的靜差及超調(diào)量都較大。P較小，I較小時系統(tǒng)無超調(diào)，穩(wěn)定時間長，靜差較大。經(jīng)過仿真篩選， 表1中第二組PI參數(shù)最佳，超調(diào)量和靜差都控制在較好的范圍內(nèi)。

3.2穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出壓力與轉速的平方成正比，系數(shù)為Ki1=0.0062，轉矩與轉速的平方成正比，系數(shù)為Ki2= 0.001026。

4試驗

4.1 試驗系統(tǒng)及現(xiàn)場

磁力耦合器應用于某企業(yè)清水泵房進行調(diào)實際壓力PV是0.4 Mpa，設定壓力SV是0.6 Mpa。

4.2 試驗數(shù)據(jù)及分析

通過表3可以看出，當系統(tǒng)壓力高于設定值0.6 MPa時，磁力耦合器調(diào)節(jié)輸出，降低泵的轉速，從1427 rpm降到0 rpm，原因是由于管路壓力大，負載轉矩大，超過磁力耦合器在900 rpm時輸出轉矩，因此停止。

同時從表3中可以看出系統(tǒng)的輸出壓力與轉速平方也近似成線性關系，符合表2的仿真對應關系。電機電流是隨著系統(tǒng)實際壓力的減小而降低的，從63 A降到23 A，因此電機輸出轉速在降低，根據(jù)電機的輸出有功功率公式可知在系統(tǒng)壓力降低過程中系統(tǒng)有功功率降低，系統(tǒng)沒有安裝磁力耦合器時，電機一直是額定功率運行，因此安裝磁力耦合器后，電機有功功率降低符合節(jié)能原理。

圖12所示，仿真電流與轉速曲線與實際測量的曲線在誤差范圍內(nèi)可以認為近似重，表明系統(tǒng)數(shù)學模型的有效性。

5 結論

通過建模與仿真和試驗數(shù)據(jù)進行對比得到以下結論：1）系統(tǒng)仿真響應時間、靜差等仿真結果與試驗結果一致，表明磁力耦合器控制系統(tǒng)建模分析的有效性。2）測試結果顯示，在設定壓力小于實際壓力時，控制器輸出控制壓力降低，電機的電流也在減小，與沒有安裝磁力耦合器時相比，磁力耦合器調(diào)速器能有效實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。3）磁力耦合器調(diào)速系統(tǒng)響應時間較長，為數(shù)十秒至百秒之間，適用于風機泵類響應。

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MATLAB-based Modeling and Simulation of Magnetic Coupling Speed Control System

Li Zhengguang , Yang Gao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper presents a mathematical model of the actual case based on Matlab, the system parameters are simulated and analyzed. Comparing the analysis results with the actual operation data, proves effectiveness of the mathematical model for the magnetic coupler speed control system, The results are also used to guide the design and operation of control systems.

magnetic coupling device; speed control system; mathematical model; engineering application

TP273

A

1003-4862（2016）03-0071-04

20154-12-15

湖北省科技支撐計劃 2014BAA021

李爭光（1980-）碩士，工程師。研究方向：電機與電器。