转子变频调速系统（共7篇）
转子变频调速系统 篇1
1 引言
目前,绕线式异步电机调速大多采用定子变频技术。定子变频技术在中低压电机应用场合中展现了良好的调速性能。在高压电机(6 k V或10 k V)应用场合中,因定子侧电压等级高,通常采用H桥级联式定子变频技术,该技术采用的功率器件多、线路复杂、成本高且可靠性低。
通常,高压绕线式异步电机转子侧电压等级比定子侧电压等级低。利用该特点,文献[1]提出了一种转子变频调速系统,以解决上述高压绕线式异步电机定子变频技术存在的缺点。如图1所示,将绕线式异步电机定子三相绕组短接,转子三相绕组接相应电压等级的变频器。该系统的工作原理为:变频器将三相电送至转子绕组,由转子绕组进行励磁,产生的旋转磁场切割定子绕组,在定子绕组中产生感应电动势及感应电流。旋转磁场和感应电流相互作用,产生电磁转矩,从而带动转子旋转。文献[1]中采用VF控制思想,电机调速动静态性能差,不适用于高性能调速场合。在其基础上,本文提出一种转子变频矢量控制技术,提高了调速系统的动静态性能,可用于高性能调速场合。
针对绕线式异步电机转子变频矢量控制系统,本文推导出基于定子磁场定向的电机数学模型,建立了转子变频矢量控制系统仿真模型,在理论及仿真结果的基础上进行了实验研究。仿真及实验结果验证了绕线式异步电机转子变频矢量控制系统的可行性,并为之提供了理论依据。
2系统设计
2.1基于定子磁场定向的矢量控制
绕线式异步电机在两相任意旋转坐标系下的电压方程及磁链方程如下:
式中:d为旋转坐标系下直轴分量;q为旋转坐标系下交轴分量;ωdqs为旋转坐标系相对定子绕组的角速度;ωdqr为旋转坐标系相对转子绕组的角速度;p为微分算子。
为了方便分析,设转子绕组为参照物,即假设转子绕组静止,定子绕组以ωs旋转。因转子变频时,电机由转子绕组励磁,旋转磁场角速度等于转子频率的同步角速度ω1。所以在两相同步旋转坐标系下,坐标系相对转子绕组的角速度ωdqr等于转子频率的同步角速度ω1,坐标系相对于定子绕组的角速度ωdqs=ωdqr= - ωs=ω1=ωs= ωs1,即为滑差角速度。
将ωdqr= ω1,ωdqs= ωs1带入式中,可得两相同步旋转坐标系下的电压方程为
按定子磁场定向,则由式(2)可得:
考虑定子三相绕组短接,可知:
将式(4)和式(5)带入式(3)和式(2)中,即可得:
式中:ω1为转子频率的同步角速度;ωsl为转差角速度。
结合式(6)、式(7),可得:
式中:σ为电机漏磁系数,σ = 1 - Lm2/LsLr;Ts为定子时间常数,Ts= Ls/Rs。
式(8)即构成转子变频矢量控制系统的方程式。
由式(8)构成的绕线式异步电机转子变频矢量控制系统原理框图如图2所示。
从图2可以看出,与传统定子变频矢量控制系统类似,转子变频矢量控制系统采用双闭环控制方式,内环为转子电流环,外环为转速环和定子磁链环。通过电流互感器检测电机转子两相电流,经过坐标变换,反馈至电流内环,形成电流闭环控制;通过轴编码器检测电机转速,反馈至转速外环,形成转速闭环控制;根据磁链观测器观测定子磁链,反馈至定子磁链外环,形成定子磁链闭环控制。
2.2 定子磁链观测器
本文采用定子磁场定向的矢量控制,因此定子磁链观测非常重要。常用磁链观测模型有:电流模型、电压模型。
2.2.1 定子磁链电流模型
定子磁链电流模型为
由式(9)构成的电流模型如图3 所示。可以看出,该模型需要实测的转子电流和定子速度(转子速度的负值)信号。受电动机参数变化的影响,电流模型一般在低速时使用。
2.2.2定子磁链电压模型
定子磁链电压模型为
由式(10)构成的电压模型如图4所示。可以看出,它只需要实测的转子电压和转子电流信号,不需要转速信号。但电压模型包含纯积分项,积分初始值和累计误差都会影响计算结果,在低速时,转子电阻压降变化的影响也较大。因此,电压模型更适用于中高速范围。
3 仿真研究
为验证上述绕线式异步电机转子变频矢量控制系统的可行性,根据图2 所示的转子变频矢量控制原理图,采用Matlab/Simulink进行了仿真。仿真用参数见表1。
以矿井提升机单次提升工况为模型进行仿真,仿真条件为:电机全载启动,转速给定起始值为750 r/min,0.9 s时刻阶跃变为1 420 r/min,1.8时刻阶跃变为0,待电机完全停止后,转速给定为-1 420 r/min,即电机反向运行至全速。
图5 为全程速度曲线,给定转速后,电机平稳加、减速,并很快稳定在给定转速。图6 为全程转矩曲线,电机保持最大转矩启动,启动结束后,转矩保持在给定转矩。图7 为定子磁链曲线,定子磁链响应速度较快,且在电机启动过程中保持恒定。
4 实验研究
为进一步验证转子变频矢量控制系统的可行性,本文采用DSP F2812进行了硬件平台实验,实验用电机参数如表1所示。
图8 为转速响应波形,电机在阶跃给定转速条件下平滑启动,并伴有微小超调,最终可以稳定在给定转速下,符合电机调速的基本特征。图9 为定子磁链波形,定子磁链响应速度较快,且在电机启动过程中基本保持恒定,磁链观测器的观测精度满足了电机调速要求。图10 为转子电流励磁分量和转矩分量波形,系统实现了转子电流励磁分量和转矩分量的解耦,且励磁分量和转矩分量均较好地跟踪了系统给定值,稳态误差小,验证了电流环PI调节器参数设计的有效性。图11 为转子电流ia,ib波形。图12 为输出电压重构ua,ub波形。输出至电机转子绕组的电压、电流均呈现正弦化,且相间互差120°。
5 结论
本文提出一种绕线式异步电机转子变频矢量控制系统,推导出基于定子磁场定向的电机数学模型,建立了转子变频矢量控制系统框图,通过Matlab仿真及硬件平台实验,验证了所提出的转子变频矢量控制系统的可行性,有效地解决了传统高压绕线式异步电机定子变频存在的问题,促进低压通用变频器在高压变频调速系统中的应用。
转子变频调速系统 篇2
使
用
说
明
书
一、概述
本公司生产的FLC系列转子秤是吸收了国外环状天平技术研制而成的新一代粉状物料计量产品。系统采用给料机喂料、转子秤计量的工作方式，配以进口变频调速器、高精度的称重传感器和测速传感器，可实现准确计量、适时调节（调速范围5～50Hz）。
控制部份采用德国西门子公司的S7200
PLC为核心，配以触摸屏显示，全中文人机界面，操作简单易学，可靠性高。
二、工作原理
粉状物料经过上面的稳流螺旋绞刀进入转子称内，转子称内的转子带着物料转动，物料的重力作用于荷重传感器上，荷重传感器将所受力的大小转为电信号输出至PLC的模拟量模块，同时转子旋转的速度也通过测速传感器输出至PLC的高速脉冲测量模块，PLC通过模数转换和高速脉冲测量将重量和速度的转化为数字量，经过运算处理得出当时的瞬时流量，并根据用户设定的给定量，计算二者差值，再经PID算法，输出控制值经数模转换成标准电流信号去控制喂料螺旋和转子称的变频器，改变二者的转速，从而最终达到给定流量与瞬时流量跟踪的最佳控制效果。
三、主要技术参数
●
环境温度：
-10℃～＋50℃；
●
静态计量误差：
0.5％
●
动态累计误差：
1％
●
控制准确度：
1％
●
称重传感器信号：
2mv/v
●
传感器激励电压：
±12v
四、人机界面描述
系统通电后，屏幕显示如下图所示菜单，Transfer
Configure
Starting
“Transfer”：下载程序；
“Configure”：触摸屏配制；
“Starting”：运行用户程序。
上述三项功能只有在系统调试时可能使用，调试结束后正常通电时出现此界面时不能对屏幕进行操作，稍等待后PLC会自动进入系统主屏幕。
1.主屏幕
在主屏幕中，显示了系统工作中的相关数据和控制按钮，如图1所示。
图1：主屏幕
流量：显示当前转子称运行时的瞬时流量值。
重量：显示转子称内的物料重量。
速度：显示转子称的电机转速。
累计量：设备运行时所下物料的累计重量，可以通过“累计清零”按钮清零。
给定：显示当前的流量设定值，在“本地控制”方式下，可以通过触摸屏点击进行修改；当在“远程控制”方式下，显示中控的流量给定值，此时通过触摸屏修改无效。
流量棒图：在屏幕右侧，以棒图形式直观显示最近5分钟瞬时流量值。
本地控制（远程控制）：显示当前的控制方式，本系统共有“本地控制”和“远程控制”两种工作方式，“本地控制”表示系统的启停、流量设定由本机控制，中控控制无效；“远程控制”表示系统的启停、流量设定均由中控控制，本机控制无效。控制方式的切换在“系统菜单”功能内修改。
启动：在“本地控制”方式下，触摸该按钮，系统启动，同时按钮文本有“启动”变成“停止”，在当在“远程控制”方式下，触摸此按钮无效。（在本机中，具有切换工作方式功能的按钮，按钮上显示的文本会随着工作方式的变化而改变，其原则就是当前显示的文本含义表示触摸该按钮时即将执行的功能定义。）
累计清零：触摸此按钮，清零累计量。
系统菜单：此功能受密码保护，触摸此按钮，屏幕首先进入密码输入屏幕（图2），输入正确的操作员口令并确认后方能进入。
2.密码输入
图2：密码输入屏幕
在本系统中有些功能受密码保护，当触摸该功能按钮时首先会进入密码输入屏幕，屏幕中显示“请输入四位密码！”，此时触摸上方的数字输入区域，则出现数字、字母输入屏，输入四位密码（数字或字母）后按回车键返回本屏幕，如果密码正确，屏幕显示“密码正确,按确认键进入!”，此时可以触摸“确认”按钮进入相应的功能；如果密码错误，则屏幕显示无任何变化，可以重新输入密码或按“取消”按钮返回原先的显示屏幕。
本系统密码分两级：操作员口令和管理员口令，从主屏幕进入“系统菜单”，两种口令均可进入；从“系统菜单”进入“密码设置”对密码进行修改时，需输入管理员口令才能进入。二者的初始密码都为数字“1234”。知道管理员口令的人员可以通过“系统菜单”中的“密码设置”对两个密码进行修改。
3.系统菜单
在主屏幕中触摸“系统菜单”按钮并输入正确操作员口令或管理员口令后，系统进入“系统菜单”屏幕画面（图3），上面共有九项子功能按钮和“返回”按钮，触摸子功能按钮执行相应的功能，触摸“返回”按钮则退出并返回到主屏幕。
图3：系统菜单屏幕
五．各功能描述
1.系统设置
增加对比度：触摸此按钮，增加触摸屏的对比度。
减小对比度：触摸此按钮，减小触摸屏的对比度。
清洁屏幕：在长时间工作和操作过程中，触摸屏的表面可能会粘上灰尘或其它污物，此时可对屏幕用干的软棉纱进行清洁，在清洁开始前触摸此功能按钮，触摸屏进入一分钟的清洁工作状态，在这种状态下，触摸屏会屏蔽所有的触摸动作，延时一分钟结束后，触摸屏恢复正常工作状态。在正常工作状态下，严禁对屏幕进行任何清洁工作，以防止对屏幕的操作可能会触发误动作而造成危险或不必要的损失。
下载：触摸此按钮，触摸屏进入数据接收模式，用于在调试工作中从计算机上下载数据用。
在线：触摸此按钮，触摸屏将启动与PLC通讯，在系统上电后，触摸屏会自动进入在线状态。
离线：触摸此按钮，触摸屏将停止与PLC通讯，在离线状态下，触摸屏上的所有数据将停止刷新，除非按“在线”按钮重新进入在线状态。
返回：返回系统菜单。
2.时间设置
本功能用于设置系统当前的日期和时间，触摸相应的输入区域输入日期和时间，按“确认”按钮确认并返回到系统菜单，按“取消”按钮则忽略输入的数据返回系统菜单。
注意：系统不对所输入日期和时间的数字作合理性检查（如月份＞12等），所以要确保输入的数据合理有效。
3.密码设置
本功能需要通过“密码输入”屏幕输入正确的管理员口令并确认后方可进入，系统管理员可以修改管理员口令和操作员口令，触摸“返回”按钮返回到“系统菜单”。
4.参数设置
本功能用来设置或修改与系统相关的各项参数，参数分别定义如下：
速度系数：用于修正实际电机转速值与系统显示的转速值的偏差，以达到显示值与实际值相一致的目的，修改公式为：新速度系数＝（实际的转速值÷系统显示的转速值）×原速度系数。例：电机全速运转时转速为1400rpm，显示为1000rpm，原速度系数＝1.0，此时可修改速度系数值，新速度系数＝（1400÷1000）×1.0=1.4，将原系数由1.0改为1.4，系数修改后，系统显示的速度值将会变为1400rpm。
重量系数：用于修正实际重量值与系统显示的重量值的偏差，以达到显示值与实际值相一致的目的，修改的方法和原理同上。例：在挂码标定时所挂砝码重量为50Kg，显示为40Kg，原系数＝1.0，修改重量系数值，新速度系数＝（50÷40）×1.0=1.25，将原系数由1.0改为1.25，系数修改后，系统显示的重量值将会变为50Kg。
重量零点：指转子称内无物料空载时，对荷重传感器的预压力的值，在重量校零时系统会自动得出重量零点值，该值是传感器的信号经过模数转换后的数字。
量程零点：当系统处于远程控制时，中控给定的流量设定值0t/h～满量程对应的电流信号一般是4～20mA，量程零点就是给定0t/h（4mA）时系统通过模数转换采样到的数字值，一般在6400左右。
P、I、D：这三个值用于系统控制时PID运算，在调试时根据实际控制效果调整，一经确定后，不能随意修改。
流量系数：用于修正转子称的实际流量与系统的显示流量的偏差，通过挂码标定或实物标定计算得出，该值直接关系到称的计量准确性，不能随意修改。
额定量程：设定转子称的额定量程，是与中控联系时的流量的基准值。
脉冲单位、脉冲时间：指系统输出至中控的累计脉冲的单位及脉宽时间。
启动输出：控制系统在刚启动时给螺旋喂料机的预置输出值，范围：0.0～1.0(对应变频器频率0～50Hz)。系统在重新启动时螺旋喂料机往往都是重载启动，如果启动时从0Hz开始慢慢上升，有可能在低频率时由于负载过重导致电流升高，预置输出值就是在系统启动时给螺旋喂料机一个较高的转速先让螺旋转起来，以避免上述情况的发生。该值只是在启动时起作用，启动后系统会根据瞬时流量与给定流量的偏差自动调节速度。
输出下限：系统在工作过程中调节喂料机和转子称的速度下限值，范围：0.0～1.0(对应变频器的0～50Hz)。同样也是防止喂料机在重负荷的情况下低频运转时电流升高导致变频器会产生保护而跳停。
5.重量校零
转子称在空载时对荷重传感器有一个预压力，这个压力作为零点（皮重）在正常工作中从总重量中扣除，本功能就是系统自动计算出零点值。
在校零开始前，切记要使转子称处于空载状态，输入校零时间，触摸“开始”按钮转子称开始运行（此时上面的喂料螺旋将不被启动），系统同时开始自动校零，时间进度显示从输入的校零时间开始倒计时，当时间进度回到0时，转子称停止，校零结束，新的重量零点值显示在屏幕上。校零时也可以人工控制转子称的转速，触摸“人工”按钮选择手动控制方式，此时还应设置输出比例，范围：0～32000（对应变频器频率0～50Hz）。
6.远程控制（本地控制）：触摸此按钮改变系统的控制方式。
7.实物标定：
实物标定是称量经过转子称计量的物料的实际重量与本系统所显示的累计重量进行比较，来验证系统的计量准确性的标定方法，并根据偏差修正流量系数。
在实物标定开始前，现场必须准备好接物料的工具、称量物料的称等，现场打扫干净，准备工作结束之后就可以触摸屏幕上的“开始”按钮启动转子称和喂料螺旋开始下料，在现场同时接料，下料过程中屏幕显示当前的瞬时流量、重量、速度、累计量等实时数据和已进行的时间，等累计到一定重量时触摸“停止”按钮停止下料，现场开始称量所接的物料的重量得出实际重量值，计算计量误差：误差＝（实际重量值－显示的累计值）÷实际重量值×100%，若误差的绝对值在控制指标范围内就结束，若大于控制指标，将实际重量值输入到屏幕中的“实际累计值”内，触摸“计算”按钮，系统自动计算出新的流量系数并替代原系数（公式：新系数＝（实际重量值÷显示的累计值）×原系数），重新再做一遍实物标定，直到误差达到要求。
实物标定时，系统有自动和人工两种控制方式可以选择，选择自动控制方式时，在启动下料前必须输入设定流量值，系统根据设定值自动控制螺旋喂料机和转子称的转速；选择手动控制方式时，启动下料前必须输入手动输出值，人工控制螺旋喂料机和转子称的速度，手动输出值的范围：0～32000(对应变频器的频率：0～50Hz)。
进行实物标定时要注意：开始下料后现场接料时必须将所下的物料全部接好，不能漏，也不能将没有经过转子称计量洒落在地面上的物料算在内，不能多也不能少，称量时要细心，保证数据的准确性，最大限度的减少人为误差；下料时尽可能多下些料，让系统稳定运行时间比较长一点，这样可减少启动停止时的波动。
8.挂码标定
挂码标定是用标准砝码对转子称进行标定的一种方法。挂码标定前必须保证转子称处于空载状态，在转子称上挂砝码的部位挂上已知重量的砝码，此时在屏幕上会显示重量值，如重量显示值与实际砝码的重量值不符，用在“参数设置”内介绍的修改重量系数的方法修改重量系数，使二者吻合，触摸“开始”按钮，启动转子称运转（与“重量校零”一样，上面的螺旋喂料机将不被启动），转子称运行后屏幕上显示当前的重量、速度、瞬时流量、累计量等实时数据和时间，累计到一定重量时触摸“停止”按钮停止转子称，用所挂砝码的重量、转子称的速度，计算理论流量值（Kg/s），理论流量＝2×(G×2.4242×W÷60÷i)，其中G：砝码重量；W：转子称的电机转速；i：转子称的减速机的减速比，再计算理论累计量＝理论流量值×系统统计的测试时间，此时可计算出系统的误差＝（理论累计值－显示累计值）÷理论累计值×100%，若误差的绝对值在控制指标范围内就结束，若大于控制指标，将理论累计值输入到屏幕中的“理论累计值”内，触摸“计算”按钮，系统自动计算出新的流量系数并替代原系数。
9.帮助
此画面显示了我公司的联系电话、详细地址及网址等内容，在必要时可通过上面的内容与我公司联系。
六、系统与设备维护
1.系统正常运行时，经常观察变频器上显示的输出电流，一旦出现大于电机额定电流，则有卡料的可能，若确认卡料，应立即通知有关人员把喂料机上的闸板关闭，并停止喂料机运行。
2.卡料的处理：手盘喂料机电机或打开喂料机上的清物口清除异物。
3.转子称是系统称量设备，圆盘上严禁踩踏，不准放置杂物，且每班清扫一次。
4.传感器上的压杆螺丝不可随意调整，否则将严重影响系统精度。
转子变频调速系统 篇3
1 主井提升机电控系统设计原则及目的
1.1 电控系统设计原则
以高可靠性, 安全性及技术先进性为前提, 采用安全、可靠、先进、合理的新技术, 完成提升机系统的控制及运行。从适应性、普遍性、通用性和成熟性上考虑, 选择所需设备。充分利用现有设施, 保证系统功能的前提下, 尽可能简化系统, 尽量减少投资。采用经过实践检验的电工行业先进技术, 使用维护方便。元器件进行严格筛选, 关键环节一律采用可靠性高的部件。
1.2 电控系统设计目的
建立灵活、先进、适用的计算机管理、控制网络系统, 并接入局域网。建立可靠安全的保护系统, 保护功能优于现系统。显示器能够显示各种生产报表及统计、故障信息及运行等画面, 并显示提升机所有的运行状态和参数, 以及故障发生时间, 类型和位置, 并能报警通知维护人员, 缩短故障时间, 提高效率。
2 电控系统设备配置要求
提升机的驱动装置应能够适应提升机的各种提升工艺要求, 按照设定速度实现提升机平稳的启动、运行、加速、恒速、减速、制动、停车。在整个循环中, 应尽量减小电机输出转矩的突变, 减小钢丝绳的振动, 停车必须准确。
2.1 高压配电装置
为满足提升机的6k V配电要求, 应提供成套的6k V高压配电设备, 高压开关柜应具有完善的五防功能。一台双进线开关柜, 两台馈线柜按有关规范规程要求设置必要的闭锁, 安装有功电度表、无功电度表、电流表、电压表等测量仪表及过流、短路、低电压等继电器保护及供测量和保护用的电压、电流互感器等。另设置一台高压真空换向柜, 实现电机正反转控制。
2.2 低压配电装置
低压开关柜用于提升机和辅机设备的交流380V/220V配电。配电装置的引入和馈出应根据各用电设备的要求装设安全负荷隔离开关或断路器、接触器、继电器、控制开关以及用于远距离控制和连的开关。
2.3 转子变频柜及调节系统
转子变频柜, 其中的功率变换器均由三电平变换器构成。当转子输出能量时, 变换器CU1为全控整流状态, CU2为逆变状态;当转子馈入能量时, CU1和CU2工作状态与上述相反。
3 工艺及行程控制系统
3.1 PLC操作部分
PLC操作保护装置中有2台西门子PLCS7-300, 一台用于操作保护, 另一台用于行程监控。操作保护PLC是:执行操作程序, 输出开车信号;实现各种保护及闭锁。来自提升机系统的保护信号引入到PLC中, PLC将其分为报警、终端施闸、立即施闸三类, 送监视器显示、报警及施闸。
3.2 数字行程监控器
数字监控器的组成, 可以分为井筒同步开关、PLC及轴编码器 (两台) 。具体的运行流程是, PLC通过接收轴编码器传来的脉冲信号, 主要是提升机的数据, PLC将一些行程参数, 及部分操作信号和保护信号, 通过结合并加以运算处理, 输出给提升机, 以保证提升机安全运行, 减少运行过程中产生的冲级, 提高精准度。速度给定信号是呈现为“S”型曲线, 减速段主要由PLC调控, 保证在固定值范围内运行。
3.3 安全回路系统
安全回路由PLC和继电器直动构成两套安全回路, 实现继电器与PLC的冗余, 主要系统保护有:提升容器过卷;立即施闸类故障保护;2米/秒限速保护;高、低压电源欠压保护;提升机速度超过最高速度15%及减速段过速10%保护;调节回路故障;制动系统故障;钢丝绳打滑超限;转子、定子回路故障;整流装置故障;主回路过电压或接地;电枢过电流;监控器与主轴失联;控制计算机故障;直流快开跳闸。
4 主井提升机控制方式
通过绞车操作台上转换开关转换, 提升机可以实现手动控制、半自动控制、自动控制、检修运行等。
各种操作方式均应与提升信号闭锁, 没有信号不能开车 (全自动运行状态下, 装卸载设备自动发开车信号) 。各种操作方式均应有可靠的速度保护, 包括超速和减速段限速。各种操作方式均应设置可靠的形成保护, 不能过卷、过放。以保证提升系统的安全运行。
5 主井提升机电控系统总体方案
电机为YR800-16/1730型交流绕线式高压电机, 电机功率800KV, 电机定子电压6KV, 当提升机紧急制动时, 可实现电气延时的二级制动。电控系统是“全数字转子双馈变频调速+上位机监控+多PLC冗余控制”。
6 系统主要技术要求
1) 主要技术要求是根据提升控制及信号系统的信号指示要求, 控制提升机启动、加速、减速、停车等过程运行平稳可靠。实现提升机的手动和半自动运行, 满足系统技术要求及各种保护要求。提高提升机运行的控制水平和安全可靠性, 对降低故障率, 提高效率和减轻劳动强度等发挥着重要作用。
2) 监控主要是通过PLC和工控机的相互间通讯。在整个系统中, 上位监控有着很重要的作用, 不仅能够使信号种类显示得到提升, 还可以保护综合后备、对于事故显示及运作过程都有很好的记录、还可以对运行数据进行存储和查询。这样就可以对提升机出现的问题的根据记录分析问题。在调试中, 利用显示器显示PLC程序, 并查看各逻辑回路动作情况, 进行调试和检修。
转子变频调速系统 篇4
高压绕线式异步电动机, 在电机定子侧变频调速, 对功率器件的电压、电流耐量提出过高要求, 不可避免地要进行功率电子器件的串、并联。这不但降低了装置的可靠性, 也大大地增加了投资。而绕线式电动机的转子变频调速性价比较高, 电动机的转子绕组为低压绕组, 转子变频器的电压等级只要与电机转子电压匹配即可, 这样可以大大降低功率器件的电压、电流耐量, 避免了功率器件复杂的串、并联, 使其可靠性得到提高[1]。
1转子侧交交变频原理
三相对称绕组中通入三相对称交流电, 电机内部就会产生以同步速n1旋转的旋转磁场。绕线式三相异步电动机单边励磁, 旋转磁场会分别切割定转子绕组并感应电势。和感应电机正常的运行原理相似[2], 定子绕组处于短接状态时, 绕组内部就会有电流产生。由于是在转子绕组中通的三相对称电流, 所以以转子绕组为参考系, 旋转磁场相对于转子以同步速旋转, 在转子旋转磁场和定子电流的相互作用下, 电机的定子会产生电磁力和电磁转矩。但是定子是固定不动的, 根据力的相互性, 该电磁力和电磁转矩会反作用于转子, 异步电动机的转子以一定的速度开始反方向旋转, 实现了电能向机械能的转换。
和在电机定子侧进行变频调速相似, 把绕线式电机的定子短接, 在转子侧可以进行变频, 不同频段之间的过渡采用不同的切换方式时, 会给系统的机械、电气性能带来一定的影响。
2仿真模型的构建及结果分析
2.1系统仿真模型构建
构建系统模型有2个关键点:电机模型和转子变频电源。以实验室现有的绕线式三相异步电动机作为试验电机, 具体参数如下:定子额定电压380 V;额定电流6.3 A;转子额定电压110 V, 额定电流18.3 A;额定转速1 403 r/min;额定功率2.8 kW;额定输出转矩19.1 Nm。仿真中将电机模型的各相参数设置为接近试验中要用的电机值, 使仿真结果更具有真实性和指导意义。
按照变频器输出电压波形的不同, 交交变频器可分为方波输出交交变频器、正弦波输出交交变频器和梯形波输出交交变频器[3], 三者主要特点见表1。
综合这些变频器输出波形的正弦度、对称度、谐波含量以及实际中对电机运行的影响, 本文选择梯形波调制, 并与双变量理论结合起来, 在转子侧进行变频调速的仿真实验。
转子变频电源采用六脉波双变量交交控制方式[4], 所谓双变量, 即控制角α和脉冲宽度b。第1个变量α角的控制和相控方法相同。第2个变量b有2个作用:①封闭可能出现的各种环流条件;②引导电流的换向范围以及保证实现自然换流的条件。该变量与负载大小、性质、输出频率、α角以及电源的瞬时值等因素有关, 从而实现交交变频器无环流、无死区、宽范围频率输出。
系统的仿真模型如图1所示[5], 主要由六相电源模块、脉冲触发输出模块、开关切换模块、实验电机和测量模块构成。通过设置开关的开通和关断时刻, 实现在线调速仿真。
2.2仿真结果分析
根据建立的转子侧交交变频调速系统仿真模型, 在Matlab6.5/Simulink环境下进行仿真, 仿真时间为3 s, 3个频段的工作时间由K1～K9确定。在满足各个频段下电机转速达到稳定的前提下, 2个频段可以通过采用不同的切换方式来达到调速的目的, 有直接切换和各相单独切换两种选择, 具体设置为:4分频向3.5分频切换时, U、V、W三相的切换时刻分别为1.055, 1.040, 1.065 s;3.5分频向3分频切换时, U、V、W三相的切换时刻分别为2.035, 2.045, 2.020 s。
根据上述不同方式的时间设置, 得到系统的仿真结果如图2—图5所示, 电流波形图中的1、2、3、4、5、6是切换时刻点。
直接切换的仿真结果如图2和图3所示, 在切换点0.9, 1.9 s处, 转子电流波形偏离理想正弦波形的幅度很大, 转速变化不稳, 导致转矩振荡剧烈, 可能会使电机产生大量的不规则制动力矩, 损坏电机轴及传动设备。
各相单独切换的仿真结果如图4和图5所示。电流在切换时刻变化比较平稳, 接近标准的正弦变化, 转速过渡平滑, 可以满足连续分频调速的要求。
另外, 把2种仿真结果分别进行纵向比较, 可以看出, 从4分频向3.5分频切换时, 电流和转矩的波动明显比3.5分频向3分频切换时的波动小。这主要是由变频级差的不同造成的:前者切换时的频率级差为1.786 Hz, 占工频的3.573%;后者切换时的频率级差为2.38 Hz, 占工频的4.76%。后者较前者多了1.187%, 高频率级差导致了大的电流转矩波动。
3结论
比较2种不同的仿真结果可以看出, 直接切换时控制虽然比较简单, 但是对电机正常运行造成的负面影响不容忽视, 解决这一问题的关键是寻找到合适的切换时刻点, 保证切换时电流的波动在允许范围之内。另外, 还可以通过平均周期法[6]来增加分频段, 减小分频切换时的频率级差, 实现分频调速的平滑过渡。
仿真结果验证了转子变频调速的可行性, 对实际的绕线式电机转子变频调速研究具有理论指导意义。
参考文献
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[5]潘晓晟, 郝世勇.MATLAB电机仿真精华50例[M].北京:电子工业出版社, 2007.
转子变频调速系统 篇5
矿井提升机是煤矿生产中的重要环节, 矿井开采井下所需物资的运送及人员的上、下井等都是通过提升机来实现的。目前, 大部分煤矿的提升机都是采用串级电阻调速, 这种调速方式不但精度低落, 保护单一, 爬行速度不易控制, 而且在重物下放操作时, 需动力制动与转子电阻配合操作, 全凭司机的经验和感觉, 很难准确控制, 安全性能差。针对上述问题, 我们采用可编程序控制器结合变频器对提升机控制进行改造, 充分发挥了变频器调速范围大, 调速精度高, 节能等特点, 具有显著的社会效益和经济效益。
2 变频器的选择
2.1 变频器的优点。
(1) 在电网波动±20%范围内, 恒转矩提升, 不会因为电网波动影响负载提升情况。 (2) 实现了电机软启动, 启动力矩大。可提供2倍以上转矩, 带负载能力强。 (3) 电机实现无级调速, 加、减速过程很平滑。电流冲击小, 大大减轻了机械冲击的强度。 (4) 系统可以实现四象限运行, 机内带有回馈单元, 回馈能量直接输给电网, 且不受回馈能量大小的限制, 适应范围广, 节能效果明显。 (5) 安全保护功能齐全, 除了过压、欠压、过载、过热、短路等自身保护外。还设有外围控制的连锁保护, 包括制动闸信号与正、反转信号的连锁, 变频器故障信号与系统安全回路的连锁, 机内备有自动减速程序等。
2.2 变频方案的选择。
根据荣华煤矿副井实际情况和改造需求, 开始共提出两种改造方案, 即定子变频和转子变频方案。定子变频方案既需要将现有的高压绕线式电动机更换为低压电机, 同时还需要将原供电系统由高压6000V改为低压660V, 消耗资金大, 改造工期长, 耽误矿正常生产, 而转子变频并不需要停产, 只需将外围变频电控调试完毕直接将变频电控接入电机即可, 影响时间短, 消耗资金相对来说较少。因此我矿选用天津深蓝转子变频方案, 转子变频原理图如图1。
2.3 具体实施方案。
采用保留原有高压绕线式电动机, 将电动机定子短接, 直接选择转子变频器对转子绕组进行变频控制, 同时现场保留原投切电阻设备, 作为整个变频系统应急使用。
2.4 电控系统的组成。
变频电控系统主要由电源柜、整流变压器、整流回馈柜、变频柜、主控柜、操作台组成。现场设备布置图如下 (图2) 。
2.5 变频器调速系统原理。
变频器是通过将绕线式电动机定子侧短接, 转子绕组接整流器, 斩波器根据用户给定转速进行速度调节, 控制斩波器开通和关断时间, 即IGBT占空比从而控制转子回路电压, 改变转子电流, 也就控制了电动机的转差率, 再经有源逆变器输出, 将转差功率回馈给电网, 达到调速节能的目的。
3 电控部分的功能
3.1 测量速度与显示深度。
此套电控设备工选用主副2个轴编码器, 主编码器安装在电机输出轴一侧, 输出数字脉冲为1000, 副编码器安装在深度指示器转轴一侧, 输出数字脉冲为100, 两个编码器输出脉冲与转速成正比, 共同显示提升的速度和深度, 当通过主副编码器输出的脉冲检测到转速不一致时, 还可以起保护作用。
3.2 安全回路与各种保护动作。
安全回路设计的好坏, 是衡量对提升机的保护及不发生跑车事故的重要标志。新电控系统将安全回路设计双安全回路, 即系统的安全回路有两套, 一套由PLC构成, 另一套为继电器辅助触点串联在一起构成, 当有一处动作整个安全回路断电, 绞车进行紧急制动。
电控系统和保护系统采用交流变频调速技术, 输出频率0～50Hz连续可调, 过载能力强, 在负载变化为-120%～+120%额定负载时能满足四象限运行要求;低频运转时, 有自动转矩提升功能, 能保证100%额定转矩;有过压、欠压、过流、断相和功率元件过热等保护。
主控柜采用PLC全数字控制系统, PLC与硬件电路互相冗余完成绞车提升控制与数字监控, 控制系统配备正常操作而设置的各种保护, 其中的防止过卷装置、过速装置、限速装置和减速功能保护设置为相互独立的形式, 声光信号与控制回路具有闭锁功能, 未发信号不能开车, 深度指示采用数字显示, 能准确清楚显示出矿车在巷道中运行位置。绞车控制具有手动、半自动、检修运行及应急等操作方式。检修时能手动操作, 运行速度0.3～0.5m/s, 操作方便可靠。变频器采用模块式结构, 出现故障时能方便查找故障点并及时进行更换, 维修简单。操作台除有正常的各种操作开关与按钮外, 还有深度、速度、电压、电流、油压和温度等指示, 比较直观。另外在改造的同时还保留以往投切电阻的电控系统, 防止在变频控制出现无法处理的故障时应急使用。
4 新系统与原系统的比较
4.1 性能比较。
变频调速属无级调速, 调速范围大, 调速精度高, 爬行速度易控制, 重物下放操作时易操作, 安全性能好。
电阻调速属有级调速, 调速精度低, 爬行速度不易控制。重物下放操作时, 需动力制动与转子电阻配合操作, 全凭司机的经验和感觉, 很难准确控制, 安全性能差。
4.2 节能比较。
变频调速装置在减速和重物下放操作时, 能自动地将电动机的再生能量反馈至供电电网, 实现再生反馈制动, 节电效果明显。
串电阻调速装置在减速和重物下放时需投入动力制动, 消耗外加直流电源功率, 并将电动机的再生能量消耗在转子电阻上。
5 结论
对绞车控制系统变频调速改造有利于提高绞车运行的可靠性, 并大大减少了维护量, 同时节约了大量电能, 具有较高的经济性。实际运行情况也得出结论, 在荣华矿2011年6月份对副井绞车电控改造完成后, 基本达到零故障, 并使副井提升效率提高近10%, 所以变频调速在矿上中的运用应大力推广。
摘要：本文详细介绍了由原绕线式电动机串联电阻启动电控系统改造为转子变频控制的电控系统, 改造后采用变频电控的同时保留原串电阻电控方案, 以备应急使用。对矿井提升机控制进行改造达到使整个系统节能, 调速平滑, 智能显示, 故障点明确直观, 检修方便, 维护量小等特点, 具有很高的应用价值。
关键词：变频器,电控改造,矿井提升机
参考文献
[1]吴国祥, 江友华.转子变频调速系统的性能分析和研究[J].电气传动, 2007, 37 (10) .
转子变频调速系统 篇6
由电动机拖动的泵类转子产生共振, 去除电气方面的因素, 一般来讲, 主要有以下两方面因素构成:
从机械方面分析, 电动机和水泵转动部件质量不平衡、粗制滥造、安装质量不良、机组轴线不对称、摆度超过允许值, 零部件的机械强度和刚度较差、轴承和密封部件磨损破坏, 以及水泵临界转速出现与机组固有频率一直引起的共振等, 都会产生强烈的振动和噪音。
从水力方面分析, 水泵进口流速和压力分布不均匀, 泵进出口工作液体的压力脉动、液体绕流、偏流和脱流, 非定额工况以及各种原因引起的水泵汽蚀等, 都是常见的引起泵机组振动的原因。
长春热电发展有限公司3、4号机组凝结水泵为北京昌宁泵业有限公司生产的NLTD280Ⅰ-7型, 其第一临界转速设计在1220-1380rpm, 该转速区间为实施变频改造水泵经常性工作区间, 为防止变频运行时出现共振造成设备损坏事故, 需应用防止转子共振技术对凝结水泵转子实施技术改造, 以改变凝结水泵转子的临界转速。
1 技术改造的边界条件
1.1 设备技术规范
型号:NLTD280Ⅰ-7生产厂家:北京昌宁泵业有限公司
主要参数:流量:230m3/h扬程:192m H2O
电动机型号:YLST355-4
主要参数:功率220k W转速1480r/min电流26.4A电压6000V
1.2 实施凝结水泵转子技术改造原则:
第一临界转速调整到工作转速的1.5倍以上;不改变原有泵的整体外形尺寸、性能参数 (流量和扬程) ;不增加轴功;振动指标优于改造前水平。
2 防止转子共振技术在凝结水泵变频改造中的应用
防止发生转子共振, 对泵的转子进行改造通常有三种途径, 一是通过改变叶轮叶片水力结构;二是增加轴的刚性系数, 改善轴承支撑;三是通过改变转子的重量来改变固有频率;由于实施变频改造并更换电动机, 系统参数需要保持, 因此结合实际情况, 拟采用改变叶轮叶片水力和增加轴的刚性系数两种手段, 对该型号凝结水泵转子进行改造, 按照G2.5标准进行严格动静平衡校正的方法, 将该泵的第一临界转速调整到工作转速的1.5倍以上, 从而达到防止产生共振的目的。
2.1 泵主轴的改造方案
该泵主轴原采用45#钢材料, 调质硬度H=217-241, 轴长2032mm。主轴转子两端轴承支撑, 一端在首级叶轮与第二次叶轮, 另一端在传动轴靠近与主轴联轴器侧, 如图1。
由于泵轴比较长, 电机支架上增加轴承室总成一套, 用以将原泵电机承受的轴向力由泵本身承受。在改造的同时优化轴承支架的力学结构, 避免原电机支架结构力不足引起设备运行不稳定的情况。
由于改造后的电机支架较原电机支架长了350mm, 因此泵的传动轴需要加长350mm, 新传动轴采用45#钢, 调质硬度H=245-285增加轴的刚度 (原泵轴调质硬度为H=217-241) 。
改造前后对比示意图见图2:
2.2 导叶叶轮的改造方案
原叶轮动平衡量为按G6.3标准设计, 叶轮设计叶片数为6片, 导叶叶片11片, 其叶片分配不均匀及不对称造成叶轮圆周出水的不平衡产生径向跳动, 导致整个转子在临界转速的振动。这是基于改善导向叶轮的水力结构, 防止工作液体的压力脉动、液体绕流、偏流和脱流造成的振动, 导叶进行叶片匹配, 改造导叶为12叶片, 改造后水力模型更平稳, 可靠;ZG1Cr13Ni比ZG1Cr13具有更优越的抗振性能和机械性能。按G1.0标准重新制作叶轮模型, 并按G2.5标准进行动平衡校正, 保证其剩余不平衡量不大于2g.mm。
附表说明改造前后叶轮的主要数据变化:
改造前后的导叶叶轮结构对比示意见图3:
2.3 联轴器对轮改造
改造后联轴器采用弹性膜片型式, 膜片联轴器能补偿电机与凝结水泵转子之间由于制造误差、安装误差、承载变形以及温升变化的影响等所引起的轴向、径向和角向偏移, 具有结构简单、重量轻、体积小、装拆方便的特点, 而且具有弹性减振、无噪声的优点。
3 综述
转子动平衡将经过单独动平衡校正的转子部件组装后, 对转子进行整体G2.5标准校正, 使其剩余不平衡量不大于40g.mm, 改造后的泵组联机在水泵厂进行变频运行试验, 对其性能参数进行测试, 数据见表2 (数据摘自:长春水泵制造有限公司质量检测中心测试报告) 。
数据表明, 通过改变叶轮叶片水力结构;增加轴的刚性系数, 改善轴承支撑, 使得该转子在全转速调节范围内实现安全稳定运行, 为解决此类问题积累了丰富的实践经验。
参考文献
[1]何川等主编.泵与风机[M].北京:中国电力出版社, 2008.
转子变频调速系统 篇7
微气体轴承-转子系统中,转子转速较高,每分钟几十万转甚至上百万转,同时轴承间隙较小,只有十几微米甚至几微米,根据稀薄气体动力学理论[1],此时系统气固界面速度发生滑移,引起润滑气膜的速度发生变化,对微气体轴承-转子系统的性能产生影响,因此,在微气体轴承-转子系统动力特性的分析中需要考虑这种影响。
一阶滑移速度边界模型由Burgdorfer首次提出,随后,Hsia和Domoto提出了二阶速度滑移边界模型,将滑移速度公式扩展为二阶形式。再随后,Mitsuya[2]提出了一种新的二阶滑移速度边界模型形式,为了不致与Hsia等的二阶模型混淆,称为1.5阶滑移速度边界模型。依据相关理论和实践经验,Beskok等[3]提出了一种经验的速度滑移边界模型。近年来,Wu等[4]和Shen等[5]又先后提出了新的一阶、二阶滑移速度边界模型。随着MEMS技术的发展,国内外对微气体径向轴承-转子系统研究给予了较大的关注。Orr[6]针对气体轴承尺寸较小的问题,采用放大微气体轴承-转子系统结构的方法,从宏观上研究了微气体轴承的性能,Piekos[7]采用数值积分方法研究了微气体轴承-转子系统性能,但他们的研究均没有考虑气体稀薄的影响。Lee等[8]基于一阶滑移速度边界,同时考虑气体温度因素,分析了微气体轴承-转子系统性能,但也没有考虑气体稀薄对系统的影响。王婧等[9]研究了轴承结构参数对微气体径向轴承承载能力的影响。黄海等[10]基于一阶、二阶滑移速度边界,分析了不同轴承数、不同偏心率对微气体轴承的性能影响。周健斌等[11]基于二阶滑移速度边界,并考虑气体温度因素,研究了轴承数、气体温度、轴承长径比等参数对微气体轴承-转子系统性能的影响。张海军等[12]基于一阶速度滑移边界,参考努森数的概念,分析了微气体轴承-转子系统的稳态性能。
本文首先基于一阶滑移速度边界给出微气体径向轴承修正润滑Reynolds方程,然后结合转子运动方程求解微气体轴承-转子系统的不平衡响应,并分析了微气体径向轴承-转子系统的动力特性。
1 修正Reynolds方程
图1所示为微气体径向轴承的结构示意,外部阴影圆环部分为轴承座,内部实线圆为轴颈,两者中间的部分为润滑膜(气体),其中轴承固定,轴颈旋转,ω为角速度,r为轴颈半径,e为偏心距,c0为平均径向间隙,L为轴承宽度。气体径向轴承工作时,转子的旋转运动将润滑流体带入收敛间隙而产生流体压力,作用在转子轴颈上的气膜压力的合力与外加载荷相平衡,使轴颈的稳定位置偏于一侧。
考虑到气体稀薄效应,基于一阶速度滑移边界,得到修正的Reynolds方程:
h=c0(1+ε cosθ)=c0H
式中,p为气膜压力;h为气膜厚度;λ为气体分子平均自由程;μ为气体动力黏度;u0为轴径表面速度,u0=r ω;θ、z为坐标变量,z=r ζ;ε为偏心率,ε=e/c0。
式(1)的量纲一形式为
Kn0=λa/c0
式中,Kn0为参考努森数,用来表征润滑气体的稀薄程度,与气体压力、温度有关;Λ为轴承数;λa、pa分别为轴承环境分子平均自由程和气体压力。
求解修正的Reynolds方程,需要给定待求量纲一压力P的相应边界条件。与普通气体径向轴承相似,微气体径向轴承Reynolds方程的边界条件可表述如下:
(1)轴承两端处
(2)轴承间隙中的气体压力关于轴向中间断面对称,即P(θ,-ζ)=P(θ,ζ);
(3)轴承圆周方向上的气体压力是以2π为周期的函数,即P(θ,ζ)=P(θ+2π,ζ)。
2 数值求解算法
式(2)可展开为
令S=P2,式(3)可展开为
若工作时轴承内外表面相互平行,则
采用双向隐式差分方法求解式(5),首先对时间相关导数项采用隐式差分格式计算,有
然后对空间导数项采用中心差分格式分两步进行计算:先沿θ方向进行计算,式(5)可表示为
再沿ζ方向进行计算,式(5)又可表示为
式(7)、式(8)中S函数的自变量除注明τ+Δτ时刻的外,其余均为τ时刻的S函数。
3 计算结果分析
图2为Λ=1.40时微气体轴承-转子系统分析图,图中X=x/c0,Y=y/c0,τ=ω t,x、y分别为转子轴心的位置坐标。可以看出:转子轴心运动轨迹近似椭圆形;转子运动功率谱低频分量较小,不明显;转子运动时间历程为规则的正弦曲线;Poincare映射为1个离散点,表明转子的运动形式为1个周期的同步运动。
图3为Λ=3.10时微气体轴承-转子系统分析图,可以看出:转子轴心运动轨迹呈“内八字”形状;转子运动功率谱低频分量较大;转子运动时间历程为不规则的正弦曲线;Poincare映射为2个点,表明转子的运动形式为倍周期运动。
图4为Λ=5.56时微气体轴承-转子系统分析图,可以看出:转子轴心运动轨迹出现重叠、交叉;转子运动功率谱低频分量很大;转子运动时间历程为不规则曲线;Poincare映射近似为封闭曲线,表明转子的运动形式为概周期运动。
4 结论
针对微气体轴承-转子系统,基于一阶滑移速度边界,推导出了修正的Reynolds方程,采用双向隐式差分算法计算了转子系统的不平衡响应,并分析了其动力特性。研究表明:转子转速较低时,转子系统表现出稳定的单周期运动;转子转速较高时,转子系统表现出一倍周期和概周期形式的复杂运动,表明转子系统动力特性复杂。
摘要：针对微气体轴承,基于1阶速度滑移边界,推导得到修正Reynolds方程,然后采用双向隐式算法(ADI)求解动态Reynolds方程,得到轴承非线性气膜力,并结合刚性转子运动方程,计算转子系统不平衡响应,得到了转子轴心轨迹、时间历程、功率谱和Poincare图等,分析了微气体轴承-转子系统的动力特性。分析表明,随着转子转速的升高,转子系统运动表现出倍周期和概周期等复杂的动力特性。
关键词：气体轴承,转子,双向隐式算法,Reynolds方程
参考文献
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