变频电驱动系统

2024-10-31

变频电驱动系统（共8篇）

变频电驱动系统篇1

0 引言

井下胶带输送机驱动系统, 主要分为两种, 一种采用矿用隔爆型笼式异步电动机, 经液力偶合器、减速器传动滚筒带动胶带运动, 这种传统的传动方式具有明显的缺点。另一种是经技术改造后的驱动系统采用了无齿轮永磁同步电机变频驱动系统, 即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力传递。它的研发及成功应用, 起到了节能减排的作用, 为我矿运输生产效率奠定了基础。绿色矿用设备将成为一种趋势。

1 无齿轮永磁电机变频驱动系统的原理及应用

系统采用的是自控式交直交电压型电机控制方式, 由整流桥、三相逆变电路、控制电路、三相交流永磁电机和位置传感器构成。50 Hz的市电经整流后, 由三相逆变器给电机的三相绕组供电, 三相对称电流合成的旋转磁场与转子永久磁钢所产生的磁场相互作用产生转矩, 拖动转子同步旋转, 通过位置传感器实时读取转子磁钢位置, 变换成电信号控制逆变器功率器件开关, 调节电流频率和相位, 使定子和转子磁势保持不乱的位置, 才能产生恒定的转矩, 定子绕组中的电流大小是由负载决定的。定子绕组中三相电流的频率和相位随转子位置的变化而变化, 使三相电流合成一个与转子同步的旋转磁场, 通过电力电子器件构成的逆变电路的开关变化实现三相电流的换相, 代替了机械换向器。

正弦波永磁同步电机属于自控式电机, 电念头的定子反电势和电流波形均为正弦波, 并且保持同相, 其可以获得与直流电机相同的转矩特性, 而且能实现恒转矩的调速特性。本位置伺服系统是通过正弦波永磁同步电机来实现位置伺服功能的。通过与井下胶带滚筒的配合运行。

2 紫金煤业无齿轮永磁电机变频系统应用的优越性

传统的带式输送机驱动系统采用异步电动机经液力耦合器, 减速器将动力传送给滚筒带动皮带运动, 这种传统驱动方式的缺点是: (1) 异步电动机→液力耦合器→减速器→传动滚筒, 要经两道机械环节, 传动环节多, 机械效率低。 (2) 重载起动困难:当胶带输送机满载运行中, 因故停止运转时, 再次起动非常困难, 造成停产时往往要调大量人员清理胶带上的煤炭, 才能重新起动胶带输送机。 (3) 常对液力耦合器、减速器等部件进行保养、维护、且更换频率较高。 (4) 驱动系统能耗高、噪音大。

无齿轮永磁同步变频驱动系统即驱动系统由永磁同步电机与变频器相结合实现动力的传递。它具有以下特点: (1) 高效、节能:取消了液力耦合器和减速器, 与原系统效率相比提高7%, 所需永磁同步电机功率为34 k W。 (2) 低噪音、免维护:取消了减速器和液力耦合器, 系统震动和噪声大大降低;节约了因更换、检修、日常维护减速器和液力耦合器及齿轮等磨损零部件投入的费用;节约了由于起动不平稳造成皮带被拉裂而投入的采购费用。 (3) 输出转矩大、运行平稳:利用变频器的调速功能实现带式输送机的缓慢起动, 可实现重载起动。 (4) 结构紧凑、体积小、重量轻:单台永磁同步电机, 单台变频器。

现以我矿1206材料巷综掘工作面用的DSP1080/1000型带式输送机为例来分析减少成本、节能问题。

1) 节约成本:该系统节省了传统皮带机系统中购买减速器、液力耦合器的成本, 以DSJ1080皮带机为例, 所需减速器的价格为8 000元, 液力耦合器价格为5 000元, 1台皮带机需要2台减速器及2台液力耦合器, 因此, 可以节省26 000元。由于该系统是变频起动, 因此, 可以减小起动过程对皮带的冲击, 经计算皮带材料可由原先的PVC800S降低为PVC680S。PVC800S价格为150元/m, PVC680S价格为130元/m, DSJ80皮带机一般皮带长为800 m, 皮带可以节省16 000元。每台DSJ80皮带机节省的直接成本为42 000元。

2) 节约能量:传统的DSJ80皮带机由2台轻载效率为80%的55 k W三相异步电机驱动, 而现有的DSP1080/1000型带式输送机用1台效率为93%的160 k W无齿轮电机驱动, 皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。表1是两种配置的能量损耗与各种费用对比。

皮带机每年生产330 d, 每天16 h, 每度电0.6元。由表1可知, 在电机生命周期内无齿轮永磁同步变频驱动系统可以节约电能1 351 680 k Wh, 节约总费用1 061 008元。

由上图可知, 传统驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重少, 仅为2%, 但后期电费、维护成本很高分别为85%和13%, 因此, 传统驱动系统的各项费用分配不合理, 总费用很高。无齿轮驱动系统在其生命周期内, 一次投入所占比重为9%, 后期电费、维护成本分别为88%、3%, 因此, 无齿轮驱动系统各项费用分配比较合理, 一次投入比例稍大, 但维护费用所占比例低, 总费用节省很多, 该系统的各种费用所占总费用的百分比, 与发达国家相接近。

该传动系统, 根据工矿实际将原系统的双驱 (2台电机, 每台电机电流为30~40 A) 改为现在的单驱 (单台电机电流仅为20~30 A) , 比原系统的电流降低了40~50 A, 节能效果显著。

3 结语

该项目的实施可以促进紫金煤业降低成本, 有计划地进行整个运输设备的改革。将高科技技术手段与煤矿安全生产结合在一起, 既减少了生产资金投入, 减少了皮带动力的运行环节;同时方便了矿井皮带输送机的维修, 加快了生产步伐。

变频电驱动系统篇2

无论在世界的任何一个角落，Sinamics系列变频器都可以在技术和商务层面上向用户提供出色的支持。这一理念仅仅通过该产品系列中的最小成员SinamicsG110变频器即可窥得一斑，因为它本身就是这一理念的完美体现。

SinamicsG110变频器是一种使用灵活、价位适中的变频调速装置，可用于各种速率的驱动系统，功率范围可从120W-3kW不等。今天，如果应用系统采用开环速度控制，或者电动机的转速是通过机械方法或液压机构来调节的话，采用SinamicsG110作为驱动装置则是最佳选择。

降低机械设计和运营的成本

Sinamics系列变频调速装置操作简便，加之Sinamics变频器与价位适中的标准电动机相组合的系统所具有的良好性价比，使之成为大多数应用对象驱动装置的首选。使用这种出色的驱动解决方案时，大多数情况下，您可以免去升速或减速齿轮、摩擦轮或V型皮带变速箱、电磁耦合器之类的环节。当采用具有闭环速度控制的水泵时，通常无需在下游再使用节流阀。这意味着管道系统将处于较低的液压--机械负荷之下，从而延长设备的使用寿命。通常，甚至还可能减少管道系统中的一些环节。

变频器由微处理器控制，具有完善的功能

皮带运输系统、大门、栅栏、旋转式广告牌等，以及类似的应用对象由于采用这一驱动装置而具有优良的控制性能。在变频驱动装置中集成有这样一些标准功能：沿斜坡曲线起动和停车，高精度速度设定值，固定速度（频率）设定值等均可通过简单的设置来选定；无需外部制动电阻的快速电气制动，扩展的集成保护功能，以及其他一些功能。即便是“小巧”的SinamicsG110变频器也可以对具有一定频带宽度的固定频率进行抑制，这是一种可避免共振干扰的极为简便的方法，而共振干扰往往会加剧元器件的损坏。除此之外，Sinamics变频器由于具备较高的调制脉冲频率，因此运行非常平稳。

帮助克服种种障碍

既然采用频率控制的驱动装置具有如此之多的好处，为什么许多机械设计工程师并没有采用具有频率控制特性的驱动装置呢？西门子自动化和驱动集团一位经验丰富的客户支持人员解释道：“许多机械设计工程师不喜欢配置并使用变频器，仅仅是因为他们对这个概念还不适应。但是，如果现在还只是使用二流甚至三流水平的驱动装置，那末，所造成的损失则是无法估量的。”这也就是西门子公司设计了两种便于使用的软件工具的原因，而且这两种软件工具还专门为Sinamics系列变频器进行了优化处理：Sizer可用于界定驱动装置的规格，Starter则可用于调试变频器。戴维·潘托斯先生负责西门子自动化与驱动集团（A&D）的设备策略工作，这一工作涉及大量的技术诀窍，他说道:“如果您想通过鼠标轻轻点击电子邮件即可选定若干选项，那么，实现这一切非Sizer莫属。同时您还可通过软件调试工具Starter找到自己应用对象的优化配置，以及Sinamics变频器的优化参数。”

为确定电动机和变频器的优化组合，Sizer只需要了解所要求的功率范围即可。Sinamics系列变频器具有较高的过载能力，确保用户可以选用成本最优的配置，性能还十分可靠。

“只需一把螺丝刀，就可以接通变频器并投入使用”

Sinamics变频器机械和电气部件的安装均极为简便。考虑到世界各地使用变频器的技术水平的差异，设计变频器时对此给予了足够的重视。SinamicsG110变频器的设计极为简洁，因为它采用了创新的IGBT技术，可适合各种设备的需求。SinamicsG110的电源连接方法与接触器相似，电源电压在顶部连接，电动机电缆则在底部连接，并采用了带有明显标示的便于识别的螺钉接线端子，取代了以往价格昂贵的专用连接器。同时还选用了无螺钉接线的控制端子，便于与控制电缆的连接。因此，SinamicsG110变频调速装置在世界各地使用都非常方便，利用当地的技术条件即可进行安装和调试。

对电源的要求宽松：一相进，三相出

Sinamics变频器系列选用高速IGBT技术，不仅可以实现较高调制脉冲频率的电压-频率控制，使其功率损失较低，同时还可以用于从单相电源生成三相电动机电源。SinamicsG110变频器可用于所有的50Hz或60Hz频率市电电源，适用于200-240V额定市电电压。允许电源电压的偏差为+10%/-10%。集成有EMC滤波器的Sinamics型变频器还可以在民用和工业用电网中使用。

对用户友好，配置简单

考虑到不断增加的成本压力，同时也考虑到技术性能、灵活性、对用户友好等方面的要求，Sinamics系列变频器遵循的是简单易行而又极为有效的原则：按标准配置的变频器中都提供有由软件实现的所有功能，对成本高低起主导作用的硬件配置方案可按照需要选择选件来实现。

关于标准软件功能，SinamicsG110变频器允许选用三种控制特性中的任何一种（即线性或平方V/f特性，以及可自由参数化的多点V/f特性）以及三个可供选用的固定频率设定值。不仅如此，G110变频器还可以通过抑制跳转频率的频带宽度来避免共振效应的影响。此外，G110变频器还具有完善的保护功能，包括电动机转子堵转保护和各种电动机监控功能。G110的捕捉再起动功能允许变频器与正在转动的电动机接通并起动到频率设定值相应的速度；电动机加速和减速的斜坡上升时间和斜坡下降时间的起始段和结束段可以选用带有平滑圆弧或不带平滑圆弧。这些功能与三个可自由参数化的数字量输入、一个数字量输出以及控制外部机械抱闸制动装置的功能和断电及故障后自动再起动功能相得益彰。SinamicsG110变频器还具有对负载浪涌极其快速的限流功能以及其他现场所需的功能，使得集成在标准变频器软件中的功能更加完善。

变频器还有多种类型的接口可供选用（模拟量输入或通过RS485串行接口和USS协议进行控制）；EMS滤波器或操作面板（见下）可作为变频器的不同型号或选件来选用。这就意味着购买变频调速装置时可以满足用户要求的所有功能，并实现成本的优化。

SinamicsG110变频器的资料文档也是对用户友好的：每个变频器都配有“入门指南”，为用户提供安装和试运行所需要的重要基础知识。另外，还向用户提供由光盘刻录的调试工具软件如Starter和详细技术资料的电子版本，它们也可以通过网络下载。“OEM客户无需面对有关SinamicsG110的大量光盘，也无须使用大量书面的文件和技术资料，而机械和设计工程师在做出系统决策之前就可迅速找到相关技术资料的细节。”这就是市场营销人员要求资料和信息要篇幅简炼，并包括诸多重要信息的原因所在。

基本操作面板（BOP）

作为可选件的基本操作面板（BOP）非常值得向您推荐。该面板可插入任何SinamicsG110中。使用该产品，不仅可以简便地直接访问变频器所有的参数以及所有重要的诊断功能，而且基本操作面板还具有极为实用的SinamicsG110参数复制功能。变频器的数据可以在操作面板中永久保存，以便传送到其他同类变频调速装置。这就意味着可将一系列调

试简化为几个简单的操作步骤。而且，如果因更换某个变频器而需要在现场对参数进行刷新，那末，利用BOP操作是一个特别简单的过程。

关于SinamicsG110的使用情况已有很多用户反馈，认为BOP的确是一种极有价值的可选件。由于具有操作预设定值，SinamicsG110在现场就位后即可马上进行调试和投运，即便没有基本操作面板或PC/工业编程设备也不会影响使用。LED可对用户提供支持，并提供重要的操作状态信息。

变频器可以通过DIP开关轻松地切换为50Hz或60Hz频率的市电电源，即使不具备BOP也不会影响操作。

可作为单机驱动的变频器或作为成套设备的一部分便捷地在工业环境中集成具有模拟输入的SinamicsG110变频器可以在没有任何计算机支持的情况下使用。这就是说，它可以理想地用于没有上位控制系统的单机驱动的装置中。具备RS485/USS串行端口的SinamicsG110变频器可以价位极低地实现与网络的连接，或与机械设备和工厂控制系统的连接。终端电阻可通过DIP开关接入网络，也可在变频器上直接安装（该变频器是总线末端的最后一个节点）。Starter软件调试工具已集成在SimotionScout和SimaticStep7工程师站中。即SinamicsG110作为最小的一种Sinamics变频器，可与西门子公司的集成自动化总理念相匹配。

西门子公司的服务网络遍及全球，其全球的物流设施可为最终用户和机械OEM提供安全保障，确保快速完成技术支持和设备的更换。Sinamics符合全球标准这一事实，又一次证明了这种变频调速装置的质量性能是过硬的。

SinamicsG110：完美的选择

SinamicsG110使用简便，证明了高性能变频器的低端性能也非常出色。实际上，Sinamics系列的变频调速装置正是为此而设计的。通过SinamicsG110小型变频器应用所获得的经验也适用于其它大功率与/或高性能的Sinamics变频器，因为它们的外观和内在设计都完全相同。

变频器各方面技术的一致性是Sinamics系列的一大特点。如今，Sinamics系列变频器的功率覆盖范围已达到120W到800KW。除SinamicsG110之外，SinamicsG150也是一种极为简洁、噪音极低的变频调速装置，可用于大功率的风机、水泵、压缩机等驱动对象。功率范围还可继续扩大到几十兆瓦，包括多轴传动和运动控制系统中使用的具有伺服控制和矢量控制功能的动态驱动装置。

灵活新颖的创新变频器

Sinamics变频器系列与市场的实际需求极为吻合，其特点有：多功能、极高的性价比、使用简便、全球适用、世界范围的服务网络等。这意味着它为机械设计工程师和开发人员在变频调速方面带来了巨大的优势，在传统应用方面也是如此，即在技术和经济上可以获得显著的效益。的确，SinamicsG110是一种灵活新颖的创新变频器。

图1(SinamicsG110)

Sinamics变频器系列中的最早成员SinamicsG110,其主要特点是，使用极为便捷而且结构小巧，功率120W到3kW，涵盖广阔的应用领域：水泵、风扇、鼓风机、传送带、门机、纺织机械、包装机械、健身器材等驱动装置。

图2(带有/不带BOP的SinamicsG110型号)

SinamicsG110，有着不同的功率等级，从0.12kW到3kW，可供选用。所有参数的更改都可利用PC、上位控制系统或操作面板来完成。

图3(基本操作面板BOP)

作为可选件的BOP操作面板可插接到变频器上，用于优化变频器的参数，并支持故障诊断功能。还可以利用BOP的复制功能通过串行借口实现快速调试，复制功能无需编程器或PC作为支持。

火电厂循环水泵变频驱动控制系统篇3

1.1 汽轮机的最有利真空度

目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道, 运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件, 于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度, 但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时, 循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性, 由于真空度提高汽轮机功率的增量△N1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△N2。显然, 汽轮机的最有利真空Peco (又称为经济真空) , 应位于净增功率△N=△N1-△N2的最大值处, 此时汽轮机工作在经济运行方式[3]。Dw为冷却水流量, p为汽轮机的凝汽器真空, ΔN为功率差值, ΔN在冷却水水量比较小的时候随冷却水量的增大而增加, 到点a达到最大, 如果再进一步增大冷却水水流量, ΔN反而开始减小, 直至为零。但当到达c点时, 汽轮机末级喷嘴的膨胀能力已达到极限, 汽轮机功率不会再增加, 故c点所对应的真空称为极限真空。由a点引等水量线与凝汽器压力线相交的b点所对应的真空值peco就是最有利真空, a点所对应的冷却水水量Deco就是最佳冷却水水量。

1.2 最有利真空度的计算

由上述分析可以看出, 改变循环水流量可以提高机组运行的经济性。但必须计算改变循环水量后的经济效益△N, 确定在既定冷却水温度和蒸汽负荷的前提下汽轮机的最有利真空位置。在本文提出的控制方案中, 利用工控机 (IPC) 调用各种参数数据, 可以实时在线计算出汽轮机的最有利真空位置。为了便于在工程中应用, 本文根据工程实际经验, 采用以下计算原则。

1.2.1 根据循环水量增加以前的测试数据, 计算出凝汽器的传热系数和冷却水速修正系数φν1。

1.2.2 根据循环水量增加以后的测试数据, 计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。

由公式:

求出增加循环水量后的传热系数k2。

1.2.3 假设一个排汽压力Pn, 计算出传热等效平均温差△tm2。

由公式:

式中A为凝冷器换热面积, r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。

如果Dn2的值满足下式:

(式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量) 则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式, 应重新设定排汽压力值进行计算, 直至满足为止。

1.2.4 根据排汽压力Pn, 计算出相对真空和提高的真空度。

1.2.5 根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费, 就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△N。

1.2.6 按照以上步骤重复计算不同流量下增加的经济效益△N, 可以确定最有利真空的位置peco。

由以上计算分析的原则, 控制系统可以通过上位机 (IPC) 实时计算最有利真空的数值, 由此作为依据 (PID调节器的设定值) , 来调节循环水泵的运行台数和运行转速, 控制循环水流量使汽轮机的真空度维持在最有利真空位置, 保证机组的经济运行。

1.3 循环水流量的调速控制方式原理

水泵的管阻特性曲线可用公式 (4) 表示:

式中Sf为管网阻力系数, HST为水泵进口到冷凝器的汽包的位差和压力差之和, 它是个定值。SfQ2为总的水阻力损失, 它与流量的平方成正比。管阻特性曲线与H~Q曲线的交点即为水泵运行的工况点[5]。

当汽轮机的蒸汽负荷改变时, 循环水泵的流量要随之变动 (假设流量从QA降为QB) 。有两种方法可以改变流量:一种是通过改变给水调节阀的开度 (节流调节方式) , 使管网阻力系数Sf改变, 从而改变管阻特性曲线, 这时水泵运行的工况点变为B, 对应的流量是QB, 扬程是HB。另-种方法是通过改变水泵的转速, 改变水泵的特性曲线, 这时水泵运行的工况点为A’, 转速由n A降到n A’, 流量也为QB, 而扬程为HA’。

可以看出, 与调速方式相比, 调节阀门流量的控制方式中有HB-HA’的扬程浪费在管网中;当在低负荷等工况运行时, 冷却水的流量由于只能靠调节阀门控制, 造成阀门两端压差很大, 很大的能量消耗在阀门上, 长期运行能耗十分严重。并且当这个差值很大的时候, 有可能导致管网破裂, 造成重大经济损失。因而循环水泵采用调速运行, 节能效果是很显著的。

2 汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计

2.1 系统的控制原理

该系统主要由由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。

工控机 (IPC) 作为上位机, 主要负责火电厂的运行检测和监控, 并在线计算最有利真空值, 为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统, 用来控制循环冷却水流量。

2.2 循环水泵的调速控制

由2.1和2.2的分析可知, 最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统。其中, PLC控制着各台水泵的运行状态 (工频、变频、停止) , 从而控制水泵的运行台数, 在大范围上控制循环水的流量;PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节, 在小范围上控制循环水的流量, 从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。

参考文献

[1]糜若虚, 宋元明.大型电动调速给水泵[M].北京:水利电力出版社, 1990

变频电驱动系统篇4

关键词：火电厂,循环水泵,汽轮机

一、汽轮机的经济运行方式与循环水泵流量的控制

(一) 汽轮机的最有利真空度。

目前汽轮机的真空度主要是靠调节冷却水流量来控制的。由汽轮机的运行原理可以知道, 运行中的凝汽器压力主要取决于蒸汽负荷、冷却水入口温度和冷却水水量。冷却水温一般取决于自然条件, 于是在蒸汽负荷一定的情况下就只有靠增加冷却水的流量来提高凝汽器的真空度, 但是当冷却水水量增加使真空度提高的同时, 循环泵的投资及运行电耗将大幅增加。为了提高机组运行的经济性, 由于真空度提高汽轮机功率的增量△N1应大于为增加循环水量水泵所多消耗的功率△N2。显然, 汽轮机的最有利真空Peco (又称为经济真空) , 应位于净增功率△N=△N1-△N2的最大值处, 此时汽轮机工作在经济运行方式。因此, 我们应经过计算分析确定出对汽轮机的最有利真空, 并以此为依据来控制冷却水的流量, 使汽轮机的排气压力尽量维持最有利真空位置, 以保证机组在经济运行方式下工作。

(二) 最有利真空度的计算。

1.根据循环水量增加以前的测试数据, 计算出凝汽器的传热系数和冷却水速修正系数φν1。

2.根据循环水量增加以后的测试数据, 计算出增加循环水量后的水速修正系数φν2。由公式:

求出增加循环水量后的传热系数k2。

3.假设一个排汽压力Pn, 计算出传热等效平均温差△tm2。由公式:

式中A为凝冷器换热面积, r2为凝汽器潜热。可以计算出循环水流量增加后汽轮机排汽量Dn2。如果Dn2的值满足下式:

式中Dn1为循环水量增加前汽轮机的排汽量, 则认为Pn就是增加循环水量后的排汽压力。如果不满足上式, 应重新设定排汽压力值进行计算, 直至满足为止。

4.根据排汽压力Pn, 计算出相对真空和提高的真空度。

5.根据提高的真空度与标准煤耗的关系以及增加循环水流量后的电能耗费, 就可以计算出循环水流量增加所带来的经济效益△N。

二、汽轮机最有利真空度循环泵控制系统设计

(一) 系统的控制原理。

该系统主要由3台水泵、1台变频器、IPC、PLC、PID以及线性压力传感器等组成。工控机 (IPC) 作为上位机, 主要负责火电厂的运行检测和监控, 并在线计算最有利真空值, 为控制循环水泵系统的经济运行提供重要参考数据。PLC、PID调节器和压力传感器组成闭环反馈控制系统, 用来控制循环冷却水流量。

(二) 循环水泵的调速控制。

由上文的分析可知, 最有利真空的实现是靠调节循环冷却水的流量。本文利用PLC和PID设计了一个反馈控制系统。其中, PLC控制着各台水泵的运行状态 (工频、变频、停止) , 从而控制水泵的运行台数, 在大范围上控制循环水的流量;PID调节器控制变频器对变频泵进行速度调节, 在小范围上控制循环水的流量, 从而使汽轮机的真空度稳定的维持在最有利真空位置。系统采用的REX-CD901 PID调节器, 内嵌模糊控制技术和参数自整定技术, 调节品质优良。它的输入设定值来自上位机根据蒸汽负荷和冷却水温度等参数计算出的最有利真空值, 反馈值为由压力传感器检测的汽轮机的实际运行的真空值。根据设定值和反馈值, PID自动调整变频器的频率给定输入, 从而控制变频器的输出电压, 进而控制循环水泵的转速, 实现循环水流量的稳定控制。

(三) 控制系统的硬件设计。

系统选用的PLC为Siemens S7-200 CPU226, 用来控制三台水泵的运行逻辑 (加减泵、切换、热备、故障处理) , 并检测系统的状态 (电机运行方式、变频器频率上/下限、各种故障等) , 实现系统的全自动运行。由此, 系统可根据最有利真空的位置, 实时调节循环水泵的冷却水流量, 实现最有利真空经济运行。此外, 为了在故障或检修时保证循环水泵可靠运行和设备安全, 该系统还具有自动/手动切换功能和指定运行功能。三、应用优点循环水泵变频控制系统具有以下优点:一是与节流调节方式相比, 调速方式提高了真空度的控制精度, 改善了汽轮机机组运行的经济性能。二是适应主机调频的需要。定速泵已不能适应这大中型机组的启停和低负荷运行。调速给水泵的出口压力是可变的, 因此能满足调频机组给水压力的需要。三是提高机组的安全可靠性。当系统发生故障时, 调速水泵可降低转速运行, 降低给水压力和流量, 在排除事故以后, 机组即可重新启动参与运行。

四、结语

本文通过分析汽轮机的经济运行方式, 设计了一种汽轮机最有利真空控制系统。该系统能够根据最有利真空的计算值, 通过控制循环水泵的运行台数和转速来调整循环水流量, 使电机组汽轮机工作在最有利真空位置, 实现经济运行的目的。其控制技术先进, 精度高、稳定可靠。另外, 本文给出了一种计算最有利真空值的简便方法。该系统对于改变目前大多数热电厂循环泵控制精度差、自动化程度低、能源浪费严重的状况, 具有重要的现实意义。可广泛地应用于供水、供暖、油田等其他行业领域, 将会产生巨大的经济效益, 应用前景广阔。

参考文献

[1].糜若虚, 宋元明.大型电动调速给水泵[M].北京:水利电力出版社, 1990

变频电驱动系统篇5

关键词：压力控制,变频器驱动控制,型钢

1 概述

莱钢中型型钢厂液压系统由5个液压站共计22台泵组成, 其中加热炉液压站液压泵采用流量控制, 其它4个站液压泵采用压力控制。每台液压泵驱动电机额定功率为75k W, 空载运行功率在25k W左右, 加载过程功率在65k W左右。观察发现, 压力控制的几个站具有变频改造节能空间。改造前, 采用压力控制的4个站运行方式如下:每个站有一套储能系统, 用以更好地保持系统压力, 一般情况下一台主泵和一台副泵工频运行, 一台备用。

2 现状分析

改造前, 受各区域现场液压设备数量和动作频次不同影响, 各个液压系统加载频率存在较大差异, 其中精整区2#、3#液压站加载频次相对较低, 尤其这2个站的副泵加载时间极少, 长时间处于空载运行状态, 存在严重的能源浪费情况。ODG趋势图任意一时间段 (15min) 液压泵加载信号时序图如图1所示。

可以看出, 辅泵的加载时间仅占全部时间的3%以下, 大多数时候设备处于空载运行状态, 主泵的加载时间也在50%以下, 存在严重的电能资源浪费情况, 因此, 系统优化控制改造有较大的节能空间。从中型型钢线各液压站室运行情况分析, 精整区2#、3#两个液压站变频器改造节能空间较大, 具有优化控制改造可行性。

3 控制系统优化方案与实施

3.1 原系统控制概况

中型线所有液压站电机均由MCC系统驱动, 除加热炉液压站采用流量控制外, 其余液压站均采用压力控制。正常情况下, 操作人员现场选择主辅泵, 先启动主泵, 后启动辅泵, 启动后即空载运行。采用压力控制的液压站运行方式如下:当系统压力低于12MPa时, 主泵加载阀得电加载;系统压力进一步降低至11.5MPa时, 副泵加载阀得电加载;压力继电器压差为2MPa型, 即系统压力达14MPa时, 主泵停止加载。所有泵启停、加载等信号均由公辅PLC自控系统统一控制。

3.2 系统主要控制原理

莱钢中型型钢厂液压站变频驱动控制系统优化方案如图2所示。

当选择变频器不使用时, 所有程序控制和改造前一致, 主泵、副泵均由MCC系统控制。

当选择变频器使用时, 主泵控制方式不变, 仍然使用MCC控制, 副泵驱动改为变频器驱动。在正常情况下, 主泵电机一直运行, 现场主泵加载压力继电器设为123MPa, 副泵加载压力继电器设为115 MPa, 当压力继电器信号达到加载压力时, 主泵加载;当压力继电器达到140 MPa时, 主泵卸载。主泵加载时, 变频器所控制的辅泵电机不启动。现场液压设备动作频繁, 当副泵压力继电器信号达到加载压力时, PLC程序输出变频器加速命令信号, 变频器2s加速至输出45Hz, 3s后PLC输出加载信号, 辅泵加载。不需要辅泵加载时, 变频器没有输出, 辅泵电机停转, 实现节能。

3.3 液压泵实际加载情况记录

控制系统优化改造前、后主副泵加载情况对比如图3所示, 可以看出, 液压站液压泵变频驱动控制优化后, 节电效果显著, 达到预期目标。

4 结语

变频电驱动系统篇6

近几年来, 国内外采掘机械如连续采煤机、悬臂式掘进机、滚筒采煤机和梭车等都将交直流调速方式用于设备牵引, 使设备的牵引性能较液压方式有了进一步的提高。随着交流变频调速技术的发展, 其相对于直流调速的优越性越来越大, 逐步成为采掘机械电牵引的主要方式。

煤炭科学研究总院太原研究院在研制连续采煤机时, 依据其实际工况特点和变频器控制方式, 设计开发了额定电压为1 140 V 的矢量控制变频器, 完成了对连续采煤机行走系统的变频调速控制, 首次实现了我国短壁机械化采煤工艺关键设备——连续采煤机和矿用梭车等行走系统变频控制的成功应用。

1 连续采煤机行走驱动方式比较

行走驱动系统是连续采煤机的重要组成部分, 与其它工作系统相比, 行走驱动系统不仅需要更大的传输功率, 要求器件具有更高的效率和更长的寿命, 还希望在变速、调速、差速、改变输出轴旋转方向及反向传输动力等方面具有良好的性能。因此, 采用何种传动方式以更好地满足连续采煤机行走驱动和工作的需要, 是设计连续采煤机行走系统所要解决的问题。

连续采煤机行走驱动方式主要有液压传动、直流传动和交流传动, 它们的性能比较如表1所示。

从表1可看出, 连续采煤机行走驱动系统采用液压传动具有实现困难、管路复杂、易发热和行走速度慢等缺点, 已经逐渐被淘汰;而采用直流传动则具有体积和维护量大、高速实现困难等缺点, 在近几年新型产品设计中已不再采用。随着电力电子技术、计算机技术和自动控制技术的迅速发展, 交流电动机相对于直流电动机具有结构简单、运行可靠、维护方便和价格低廉等优点, 变频调速以其优异的调速和启动、制动性能, 高效率、高功率因数和节电效果, 已成为连续采煤机行走驱动的主要方式。

2 变频器几种常用控制方式及特点

2.1 V/F控制

V/F恒定控制是异步电动机变频调速的基本控制方式, 它是在改变电动机电源频率的同时改变变频器的输出电压, 并使二者之比V/F为恒定, 从而使电动机的磁通基本保持恒定 (电动机的电势检测困难, 但电动机运行时其电势和电压几乎相等, 一般通过控制V/F比恒定来保持磁通恒定) 。V/F控制存在的主要问题:当频率降低后, 由于低速时的定子电阻压降所占比重增大使电动机的电压和电势近似相等的条件已不能满足, 导致电动机的转矩下降, 并且在转速极低时, 电磁转矩无法克服较大的静摩擦力, 不能恰当地调整电动机的转矩补偿和适应负载转矩的变化。

2.2 转差频率控制

转差频率控制是基于交流电动机稳态模型的控制方式。异步电动机电磁转矩Tem和电磁功率Pem的表达式分别为

$\begin{array}{l} Τ_{e m} = \frac{3 p}{2 π} \frac{U_{1}}{f_{1}} \times [\frac{f_{2} \times r^{'}_{2}}{(r_{2})^{2} + (2 π L_{2})^{2}}] (1) \\ Ρ_{e m} = A \times \frac{3 p}{2 π r_{2}} \times U_{1}^{2} \times \frac{f_{2}}{f_{1}} (2) \end{array}$

式中:U1为异步电动机定子电压;f1为异步电动机定子电压频率;f2为异步电动机转差频率;r2为折合到定子侧的转子每相电阻;L2为折合到定子侧的转子每相电感;A为异步电动机电磁功率与电磁转矩和定子频率之积的比例系数;p 为异步电动机定子极对数。

由式 (1) 可知, 当电压频率比一定时, 异步电动机电磁转矩与转差频率成正比。转差频率控制是通过控制电磁转矩从而间接控制电动机的转速, 达到调速目的。

由式 (2) 可知, 当异步电动机定子线电压保持恒定, 转差频率和定子频率成正比, 在维持异步电动机功率不变的情况下, 调节异步电动机定子电压频率可达到调速目的。转差频率控制的最大特点:能够消除动态过程中转矩电流的波动, 从而提高变频器的动态性能。

2.3 矢量控制

矢量控制也称磁场定向控制, 其实质是将交流电动机等效为直流电动机, 依据异步电动机的动态数学模型分别控制异步电动机的转矩电流和励磁电流, 从而使异步电动机得到与直流电动机相类似的控制性能。矢量控制需要正确估算电动机参数, 需要实时辨识电动机参数 (主要是转子电阻R2) , 随时修改系统参数。目前采用矢量控制的通用变频器已经具备异步电动机参数的自动检测、自动辨识和自适应功能, 使异步电动机在各种运行条件下都能输出最大转矩, 尤其是在低速运行区域条件下, 具有良好的静、动态性能。

2.4 直接转矩控制

直接转矩控制是利用空间矢量、定子磁场定向的分析方法, 直接在定子坐标系下分析异步电动机的数学模型, 计算与控制异步电动机的磁链和转矩的一种控制方式。采用离散的两点式频率调节器 (Band-Band控制) 将转矩检测值与转矩给定值作比较, 使转矩波动限制在一定的容差范围内, 容差的大小由频率调节器控制, 并产生PWM脉宽调制信号, 直接控制逆变器的开关状态, 以获得高动态性能的输出转矩。该控制方式结构简单、控制信号处理的物理概念明确、转矩响应迅速且无超调, 具有高的静、动态性能。与矢量控制相比, 直接转矩控制中磁场定向所用的是定子磁链, 采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念;而矢量控制中磁场定向所用的是转子磁链, 观测转子磁链需要知道电动机转子电阻和电感。因此, 直接转矩控制大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题。

3 连续采煤机行走变频驱动系统设计

煤炭科学研究总院太原研究院自主设计开发的连续采煤机行走系统为”一拖一“方式, 即用2台变频器分别驱动2台交流牵引电动机, 由2台牵引电动机共同完成连续采煤机的行走功能。

3.1 变频器的选型

由于连续采煤机工作空间相对狭小, 且路面不平, 在正常掘进或采煤过程中, 需要变频器及时跟踪转速指令的变化实现频繁加减速及转弯功能, 对转矩和转速的控制要求比较高, 因此, 其控制方式的选择显得尤其关键。笔者根据实际情况和变频器控制方式的优缺点, 选择矢量控制作为牵引变频器的控制方式;综合考虑连续采煤机的结构要求、牵引性能以及连续采煤机特定使用条件下的操作、维护和维修, 特别是考虑变频器在危险地段发生变频器难以修复的故障时需要电动机在1 140 V直接启动, 选用1 140 V的变频器既省去了降压环节, 又减小了电气系统的体积, 而且节省了成本, 因此, 选用1 140 V电压直接输入的变频形式。选择变频器的额定电压为1 140 V, 额定功率为90 kW, 主电路采用两电平结构。变频器主要由输入电抗器、直流电抗器、支撑电容、三相整流桥、充电电阻、接触器、IGBT、输出电抗器、电流互感器等组成;控制电路由驱动电路、电源电路和采样控制电路等组成。其中由三相整流桥组成的整流电路将交流电变换成直流电;直流电抗器等组成的直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波;IGBT及其驱动电路组成的逆变电路将直流电再逆变成交流电。

该变频器的操作控制方式主要有3种:键盘控制、通信控制、端子控制, 可以通过程序设定默认为端子控制方式, 即变频器的正反转由主控制器发出的开关量信号 (继电器节点信号) 控制, 速度由主控制器经数模转换后的0～20 mA模拟量信号控制。通过操作箱转换开关可以实现变频器通信控制、端子控制和键盘控制之间的转换。

当连续采煤机主控系统发生故障时, 不需要进行任何设定就可以使变频器独立于连续采煤机主控系统运行, 使连续采煤机退出危险区域。此外, 该变频器还有丰富的保护功能:短路保护、过载保护、缺相保护、过压保护、欠压保护、过热保护等, 以确保连续采煤机行走驱动系统的正常运行。

3.2 行走变频驱动系统设计

连续采煤机行走变频驱动系统采用PLC作为控制中心, PLC根据输入给定和连续采煤机的工作情况, 与2台变频器进行通信和控制, 并采用大屏幕液晶屏作为人机交互界面, 实时反映连续采煤机的行走状态。连续采煤机行走变频驱动系统结构如图1所示。

变频调速装置是一个相对独立的系统, 它的启动、停止、正反转和速度都由连续采煤机主控系统控制, 变频调速装置本身的状态如变频器各种故障信息:母线电压、变频器输出频率和输出电流大小等通过Modbus协议传输给连续采煤机主控系统, 用于实时数据显示和故障判断。

连续采煤机速度档位分为低、中、高速3档, 速度档位通过操作箱上的转换开关实现, 行走速度和方向通过行走手柄来实现。速度控制过程:行走手柄输出的电位计信号经本安隔离转换后, 输入到主控制器的模拟量输入端, 主控制器进行判断、计算后, 再传送给变频器, 变频器控制电动机转速实现速度控制。

截割电动机启动前或连续采煤机后退时, 连续采煤机的行走速度完全取决于速度档位开关和行走手柄;当截割电动机启动后且连续采煤机前进时, 根据连续采煤机截割落煤的工况要求, 连续采煤机行走速度由截割电动机电流反馈控制, 实现截割牵引反馈。截割牵引反馈时, 主回路相线上电流互感器的电流经模数转换输入到行走截割反馈程序。该反馈程序控制行走变频器的信号输出, 以使截割速度与实际的截煤工况相匹配。行走控制过程如下:

(1) 速度档位切换到低速档位时, 前进时的速度由截割电流反馈控制, 其最大速度为低速档位设定时的速度;

(2) 速度档位切换到中速档位时, 前进时的速度由截割电流反馈控制, 其最大速度为中速档位设定时的速度;

(3) 速度档位切换到高速档位时, 前进时的速度由截割电流反馈控制, 其最大速度为高速档位设定时的速度。

3.3 行走变频驱动系统主要参数

额定电压: 1 140 V;

电压波动: 75%～110%;

额定功率: 55×2 kW;

输出电压: 0～1 140 V;

输出频率: 0～114 Hz (基频为55 Hz) ;

额定输出电流:2路, 每路为40 A;

冷却方式:水冷;

防爆等级:ExdI;

工作制:连续工作制。

3.4 实际应用效果分析

采用该变频驱动系统设计的EML340型连续采煤机分别在中国神华神东煤炭分公司大柳塔和乌兰木伦矿进行了3个月的工业性试验, 试验结果表明, 该系统达到了设计要求, 运行稳定, 在满足调速要求的基础上, 行走控制灵活;采用独特结构设计的电气系统, 具有在主控系统故障情况下, 仍然能够操作变频驱动系统, 调动连续采煤机工作, 更加适应了国内矿井的工况, 得到用户的好评。

EML340型连续采煤机在牵引力、启动力矩、过载能力、可靠性等方面优于其它相近机型, 如表2所示。

4 结语

井下工业性试验结果表明, 矢量变频器既能满足连续采煤机牵引的要求, 又不干扰其它井下用电设备。在连续采煤机行走系统中, 其稳定性、转矩转速的可控性已达到直流牵引的性能, 因此, 可以取代直流牵引方式。依托连续采煤机行走变频驱动系统的成功经验, 煤炭科学研究总院太原研究院新研制的矿用梭车行走驱动系统也采用了变频驱动方式。随着基于变频驱动技术的连续采煤机和矿用梭车在煤矿上的成功应用, 行走变频驱动技术与装备必然为我国煤矿安全生产、提高煤炭产量起到积极的作用。

参考文献

[1]于向东.中压变频器在煤矿的应用[C]//短壁机械化开采专业委员会学术研讨会论文集, 2007, 太原.

[2]原魁, 刘伟强.变频基础及应用[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[3]ANDRE TISCHKEWITZ D.Der Einsatz vonFrequenzumrichtermotoren im Steinkohlenbergbau[D].Duesseldorf:VDI Verlag, 2003.

[4]张燕宾, 李鹤轩.电动机变频调速图解[M].北京:中国电力出版社, 2003.

变频电驱动系统篇7

本文首先采用有限状态机理论针对HEDS进行建模与分析, 进而基于多变量模糊控制对控制算法进行设计, 提取关键控制规则进行优化, 最后通过Matlab系统仿真,对所提出的控制方案进行了仿真验证。

1 HEDS系统建模

一个典型的HEDS由发动机、耦合器、电动机、逆变器、动力电池组等组成。电动机作为系统中的机械功率输出装置, 通过逆变器来连接直流母线, 电机控制器实时地通过变频控制来调节电动机输出功率、发动机燃烧燃油, 以此带动小型永磁同步发电机发电, 与电池共同组成混合动力能量源, 为电动机提供电能供应。为了对HEDS进行数学描述, 系统根据不同的控制决策在不同的工作模式之间进行实时切换。

为了对控制算法进行研究, 需要对每种动力部件的数学模型进行进一步的详细描述。动力电池组是一个复杂的非线性时变系统, 为了避免模型过于复杂, 忽略温度和使用寿命对电池特性的影响,采用简化的内阻等效模型, 将电池组视为一个包含可变内阻的电压源, 电池组的输出为端电压与端电流。发动机建模采用稳态实验数据加一阶延迟修正的双PI控制模型,其中,第一个P控制环表示发动机的输出功率调节,控制器根据系统需求功率和发动机实际功率调整发动机目标工作转速;第二个PI控制环为发动机的力矩控制, 控制器根据发动机目标转速与实际转速之差控制发动机的工作力矩,发动机与电池组的数学模型如式(1)~式(4)所示。

其中,Te为发动机力矩,Tm为电机力矩,f为延迟函数,τ为时间常数,坠t为传动效率,is为电机传动比,Tr为发动机负载力矩,Pre为需求功率,Pe为发动机实际输出功率,χne为发动机转速控制信号,ζTe为发动机转速控制信号,fPI与 λPI为PI控制函数,Ubat和Ibat分别为动力电池组的端电压与输出电流,Rn为内阻,Vbat为电池组开路电压,ξbc为电池组的库伦效率,Pbat为电池组输出功率。

考虑到模型的动态特性, 电池组的开路电压Vbat与内阻Rn都是与电池组当前的电荷状态So C (State of Charge ) 有关的变量, So C采用电流积分算法法进行估计:

其中,Q为电池组初始容量,Qmax为电池组最大容量,Kυ为电池衰老对So C影响的修正系数。

2 模糊控制算法

基于上述模型对控制策略进行设计与优化,HEDS控制的核心问题在于使整个系统实现工作效率需求的同时协调控制多个工作单元,从而使效率达到最优。工作效率分两个层次:(1) 单个工作单元自身的效率最优,例如早期的发动机自身效率达到最优曲线控制算法等,这一类控制思路虽然简单有效,但个体的最优不等于整体的最优; (2)通过个体单元之间的协同控制,实现整体的最优,即基于系统优化的控制策略。为了实现上述系统效率最优控制, 同时使系统可以体现出良好的工作效果, 必须通过模糊控制算法来实现HEDS的逻辑控制。模糊逻辑结构采用2 输入1 输出的T-S型结构,首先将电池So C与负载功率作为模糊输入进行模糊化处理, 进而输入到T-S模糊控制器中,模糊输出为发动机的目标功率, 通过模糊规则来决定系统的模糊输出, 输入与输出的隶属度函数如图1 所示。解模糊的过程采用重心法,模糊运算采用Zadeh算法,如式(6)所示。

其中,J与Q表示隶属度函数,x表示触发隶属度规则的模糊变量。

仿真过程采用美国US06 工况作为速度运行工况,结合上述模糊隶属度函数设计HEDS模糊控制规则。系统中电动机的输出功率由综合控制器根据驾驶员踏板信号决定,因此模糊控制算法主要解决了电动机的功率在发动机发电机组与电池组之间的合理分配。模糊规则的主要设计思路是在满足系统功率需求的前提下,负载功率越高则发动机输出功率也越高;负载功率越低则越倾向于发动机不输出功率。当电池组So C越低时发动机输出功率越高;电池组So C越高时,则发动机输出功率越低。列举部分模糊规则如下:

其中, K1, K2, … Kn为n条模糊控制规则的输出系数:

上述模糊控制规则反应了输入与输出的模糊逻辑对应关系,在建立的过程中依靠模拟人工智能来体现混合动力系统的设计经验。显然这样的控制算法虽然具有智能性, 但却无法实现效率的最优, 因此有必要对模糊算法进行进一步的优化。通常对模糊的优化主要分为两种, 一种是对隶属度函数进行优化, 另一种是对模糊规则进行优化, 本文采用第二种思路, 即对模糊规则进行优化。每条模糊规则中均含有一个待定系数Ki, Ki的选取对于发动机发电机组与电池组的功率分配起着直接作用。对模糊控制算法建立优化模型,因为每一个Ki对应着每一条模糊决策下的发动机输出功率,通过查表最优曲线则可以得到不同的发动机效率。因此可以将系统效率写成关于Ki的函数,同时将优化目标函数定为系统效率的倒数,即可以得到优化目标函数的表达式如式为:

约束条件为:

其中, So C_Low与So C_High为电池组So C的下限与上限,Pe_max为发动机最大功率,Pm为电动机功率,Pm_max与Pm_min为电动机峰值功率与最低功率,ξm、 ξe与 ξbat为电动机效率、发动机效率与电池组效率。

3 Matlab仿真分析

为了对所提出的模糊控制策略及其优化方法的正确性和有效性进行验证, 对建立的模型及速度工况在Matlab中进行系统仿真, 仿真过程采用固定步长0 . 01 s 。仿真结果如图2 所示。可以看出电池组的输出电流始终控制在-100 A~+200 A区域内的电池组效率较高, 同时较低的电池充放电电流有助于提高电池使用寿命。仿真结果同时表明, 发动机功率在低功率时处于关闭状态,当发动机开启时则大部分时间处于中高功率区间,避免了低功率工作状态,有助于控制降低发动机排放。

在整个仿真工况中随机抽取18 个观测点, 与未优化前的系统效率进行对比,结果如图3 所示。可以看出未优化前平均效率为75.8% ,经过优化后系统效率有了明显提高, 平均效率达到81.4% , 提高了5.6% , 表明所设计的模糊控制算法及其优化方法合理有效。

本文建立了混合动力电驱动系统的数学模型, 并基于该模型进一步提出了多变量模糊控制算法,进而对模糊规则进行了优化。 Matlab仿真表明所设计的模糊控制算法使混合动力系统实现了良好的控制效果,工作效率有明显改善,优化之后的混合动力电驱动系统效率较优化之前提高了5.6%。

参考文献

[1]MONHEY H,SHARK L K.System optimization of the electric delivery cars using PSO algorithm[J].Asian Journal of Control,2008,44(1):108-114.

[2]JOHANNES S,EMADI M.Optimal control of parallel hybrid vehicles based on PSO algorithm[J].Asian Journal of Control,2010,8(13):24-29.

[3]陈清泉,孙逢春.混合电动车辆基础[M].北京:北京理工大学出版社,2001.

[4]杨大柱.Matlab环境下FIR滤波器的设计与仿真[J].电子技术应用,2006,32(9):101-103.

[5]ZHANG M Y,YANG Y,MI C C.Analytical approach for the power management of blend-mode plug-in hybrid electric vehicle[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology.2012,51(4):1554-1566.

[6]NIELS J S,MUTASIM A S,NAIM A K.Energy management strategies for parallel hybrid vehicles using fuzzy logic[J].Control Engineering Practice,2003(11):171-177.

变频电驱动系统篇8

交交变频电励磁同步电机系统具有转换效率高、过载能力强的特点,在大功率及特大功率低频场合,如矿井提升、轧钢、船舶推进和大型发电机交流励磁等领域有着广泛应用。

为了实现高性能调速,交交变频电励磁同步电机通常采用基于气隙磁链定向的矢量控制方法。全速范围气隙磁链的获取是实现同步电机矢量控制的基础[1]。气隙磁链估计器可分别通过电流模型和电压模型获取。电流模型使用电流求取磁链,在低速和零速下可准确获取磁链,但由于需要参数较多,在速度较高时磁链计算误差较大。电压模型是通过对定子电动势积分求取磁链,速度低时定子电动势小, 导致计算误差大,适用于在较高转速范围计算磁链。在实际应用中电压模型存在积分器饱和[2-3]、初始积分误差[4-6]、数字控制系统相位滞后误差[7]等问题。针对电压模型中存在的问题,出现了很多改进方法。文献[8]使用低通滤波器代替纯积分器来改善电压模型,这种方法取得了一定的效果,但是该方法对磁链的幅值和相位估计都产生一定的误差。文献[9] 在低通滤波方法的基础上根据定子磁链计算值和定子电流进行零漂和电阻误差在线估计,对相应变量进行校正来消除观测结果中的直流分量,该方法的效果较好,但实现较复杂。文献[10]使用基于锁相环原理内置比例—积分(PI)速度跟踪调节器的磁链估计器,本质上是假设电动势的磁链轴分量为零,但这在动态过程中不成立。文献[11]将高通滤波器和坐标变换相结合来消除纯积分环节带来的问题,并对电压同步角频率分量的相位进行补偿,该方法简单,但是由于定子电压的谐波含量大,该方法无法滤除高频分量,导致了相位和幅值误差。而且对于交交变频而言,当电流较小时会出现断续现象,这加剧了电压波形的畸变。

为了消除电压模型的不足,本文提出了一种适用于全速范围的磁链估计器,该估计器由基于比例谐振控制的电压模型磁链估计器和电流模型磁链估计器相结合构成。

1磁链估计器及电流模型

1.1磁链估计器

全速范围磁链估计器如图1所示。

该磁链估计器在低速时使用电流模型,在高速时使用新型电压模型。电流模型和电压模型根据转速进行线性过渡。电压模型采用本文提出的基于比例谐振控制器的电压模型。

1.2电流模型

电流模型通过电流求取磁链,可分为基于电流给定值的电流模型和基于电流实际值的电流模型。两种方法都要用到dq轴主电感和阻尼绕组开路时间常数等参数,这些参数在电机运行过程中会发生一定变化,影响了电流模型的准确度。因此,电流模型一般在低速和零速时使用。由于可以完成励磁电流调节任务,因此基于气隙磁链定向的电励磁同步电机矢量控制系统采用基于电流给定值的电流模型,其原理如图2所示[7]。

2基于比例谐振控制器的电压模型

2.1比例谐振控制器

谐振控制器可以对单一频率交流信号的幅值进行积分,且对其他频率信号的输出为零。谐振控制器对某频率信号进行提取的原理如图3所示。

图3环节可以等效为传递函数,即

式中:k为比例系数;ω 为谐振频率。

对于直流分量,s=0,代入式(1)可知,增益为0。由此可以看出,该环节可以有效抑制直流输入信号。对于基波角频率(谐振频率)s=jω,增益为1,相位误差为0。由此可以看出,该环节对谐振角频率分量的幅值和相位均能做到无差跟踪。

由上述分析可知,将比例控制器和谐振控制器相结合,构成比例谐振控制器,可以实现谐振频率信号的提取,其传递函数为:

式中:kp为比例系数;τi为谐振控制器时间常数。

引入比例环节后,系统的快速性增强,但是稳态精度受到影响,具体参数的选取可参考文献[12]。

2.2基于坐标变换的磁链估计算法

电动势和磁链的关系为:

式中:Ψ 为磁链值;φ为磁链位置角;ω1为同步角频率。

令

磁链的大小可以通过式(5)得到,即

由于磁链相位比电动势e2滞后90°。因此可以通过坐标变换计算磁链,如图4所示。

基于坐标变换的磁链计算方法简单,由两个除法器和坐标变换构成,但是在实际使用时由于电动势同步角频率分量e2获取较困难,导致使用效果不理想。该算法中涉及的两个重要变量:ω1和e2,二者均与同步角频率有关。

2.3同步角频率检测

在稳态时,同步电机的转子磁链和气隙磁链相对静止,电机的同步角频率可通过转子转速直接计算得到。在动态时,同步电机的转子和气隙磁场相对运动,电机的同步角频率如果通过转子转速直接计算得到会存在一定的偏差。

由于转子和气隙磁链之间的角度差δ可通过电流模型获取,因此同步角频率可由式(6)计算得到。

式中:ωr为转子角频率。

2.4基于比例谐振控制器的同步电动势提取算法

同步电机的感应电动势eα和eβ分别为:

式中:R为定子绕组电阻;Lσs为定子漏感;uα和uβ由定子电压通过3/2变换得到;iα和iβ由定子电流通过3/2变换得到。

通过式(7)计算得到电动势,首先,由于电压中高频信号含量较高而且控制系统受到采样和计算频率的限制,含有一定的高频成分;其次,在磁链变化时包含e1分量,因此不能直接用于式(5)。通过2.2节的分析可知,e2和 Ψ 是相对静止的,即e2对应交流量的频率为同步频率。比例谐振控制器可实现交流信号的无差跟踪,因此本文使用比例谐振控制器提取e2,同时抑制其他频率成分。图5给出了基于比例谐振控制器电动势滤波算法框图,其中使用了基于比例谐振控制器的电动势负反馈闭环。该滤波算法的思路是:比例谐振控制器输出eα′为频率等于电机同步角频率ω1(此处ω1=ω)的eα的交流分量,该交流分量和eα中频率为ω 的分量幅值若有偏差,则经过比例谐振控制器的调节,使得输出等于输入,从而实现谐振频率信号的提取。

2.5基于比例谐振控制器的电压模型

根据上述分析,设计了基于比例谐振控制器的电压模型,如图6所示。首先根据式(7)计算出α,β轴的感应电动势,然后根据图5对感应电动势进行滤波,最后根据图4计算出磁链。

3交交变频器对电压模型中电动势提取的影响

使用比例谐振控制器对同步电机电动势同步角频率分量进行提取时,要兼顾系统的稳定性、稳态精度和响应速度。如果由式(7)得到的信号谐波含量尽量少,那么系统更加稳定,同时稳态精度和响应速度也会进一步提高。由于交交变频器的等效开关频率较低(约为300 Hz),对基波电动势提取影响较大,因此在交交变频控制系统采样信号中减少多余谐波显得尤为重要。下面针对交交变频存在的特有问题进行处理,旨在尽量减少电动势信号中的多余谐波。

3.1电流断续补偿算法

交交变频器采用的功率器件是晶闸管,晶闸管是开通时刻可控、关断时刻不可控的半控型功率器件,半控器件存在非线性移相。如果负载电感为无穷大时,输出电流连续,晶闸管变流器的移相特性是线性的。而实际应用中负载电感值是有限的,因此在当电流较小时会产生断续现象,断续使相应的输出电压绝对值偏大,晶闸管变流器的移相特性变为非线性。

针对移相特性的非线性区,采用电流断续补偿环节可以实现控制信号和输出信号的线性特性。电流断续补偿环节的输入变量是电流给定信号i0*,根据断续临界点和电流断续的预控角计算得到补偿角 Δα。对于补偿角 Δα一般采用线性补偿的方法来实现。为了提高补偿精度,本文在测量断续电压、电流的基础上采用分段线性补偿的方法,分段个数根据精度要求来决定。图7为3段补偿算法示意图。 3段补偿算法需要4个实测点。

阻感负载加入断续补偿前后相电流对比波形如图8所示。

从滤波前后波形均可以看出,未加入断续补偿的电流过零附近波形明显畸变,加入断续补偿后正弦度较好。

3.2电压、电流滤波算法

交交变频输出的电压、电流谐波较大,如果将采样到的电压、电流直接参与矢量控制,产生的误差较大,会导致转矩脉动等问题。

晶闸管变流器是离散工作的,每当触发脉冲作用时,改变一次输出状态,但是在两次脉冲之间是不可控的,工作周期长度由触发脉冲间隔决定。通常的数字控制系统都是固定周期采样,所以采样值无法与变周期的触发脉冲同步。本文利用较高频率的固定周期采样和与触发脉冲同步的变周期滤波来实现电压、电流的信号获取。该方法的实现如图9所示。

AD采样的频率为6kHz,这一频率远高于约为300Hz触发脉冲输出频率。在第k-1个触发脉冲输出时刻采样计数器清零,此后每次AD采样点到来时将采样值记录下来并将采样计数器加1。当第k个触发脉冲输出时,采样计数器的值为nk,即有nk个采样值被记录下来。将之前记录的nk个值累加求和,然后除以nk就得到第k-1和第k个触发脉冲之间的采样平均值。采样滤波效果可以从图8中看出,经过滤波后电流脉动明显变小。

4仿真研究

仿真使用的同步电机参数见附录A表A1。同步电机定子为两套绕组,两套绕组空间相位互差30°。

4.1新型电压模型磁链估计器的稳态特性

为了模拟实际采样存在的零点漂移,仿真时在电压采样环节叠加了一个0.2% 的直流量。图10为采用传统积分算法和采用比例谐振控制算法电压模型估计到的磁链,其中磁链为标幺值。从图10中可以看出:基于传统积分算法磁链估计波形产生偏置;基于比例谐振控制器的电压模型估计出的磁链并无直流偏置和饱和问题。

4.2新型电压模型磁链估计器的动态特性

为了分析提出新型电压模型的动态特性,对磁链突然变化和负载突然变化两种情况进行了仿真。

磁链给定在1.5s由80%突变为100%。由于电机主要通过励磁电流来调节磁链,励磁绕组电感较大,实际磁链没有发生突变。参考磁链和基于比例谐振控制器算法估计磁链如图11所示,实际磁链产生变化。从图11中可以看出,基于比例谐振控制器算法的电压模型可以较好地跟踪参考磁链。

为了验证在带载动态过程中基于比例谐振控制器电压模型的有效性及其对矢量控制的影响,对负载突然变化情况进行了仿真。系统在1.5s时突然加入25%的负载,仿真结果如图12所示。图中,速度和转矩为标幺值。

通过图12(a)和图12(b)可知,采用比例谐振算法估计磁链可以保证矢量控制系统的动态性能。在稳态时转子角频率为同步角频率,但是在动态特别是带载动态过程中,转子角频率和同步角频率不同步。图12(c)和图12(d)对比了角频率补偿与否对磁链幅值和角度的影响,可以看出,在动态情况下, 如果没有角频率补偿,磁链幅值会发生较大畸变,明显偏离参考值,但角频率补偿对磁链角度的影响相对较小。

4.3全速范围内的磁链估计

使用图1所示的磁链估计器在全速范围内对磁链估计效果如图13所示。

电流和电压模型的过渡区间为转速的10% ~ 20%。从图13中可以看出,估计到的磁链和参考磁链基本重合,因此该磁链估计器在全速范围内都可以有效地估计磁链。

5实验研究

为了验证本文提出的磁链估计器,在一台功率为1.6 MW的交交变频同步电机上进行实验。实验使用的同步电机参数和仿真一致,见附录A表A1。

空载工况下,按转子位置定向矢量控制系统突加励磁时,使用提出的磁链估计器得到的估计磁链波形见附录A图A1。此时输入电压的基波频率为5Hz,磁链估计器使用电压模型。可以看出,估计结果能够较好地跟踪励磁电流变化。

在轻载工况下,由于定子电流较小,气隙磁链主要受到转子电流的影响。在重载工况下,气隙磁链受到转子和定子电流的共同影响,系统对磁链估计器的要求更为严格。在重载工况下,按气隙磁链定向矢量控制系统在全速范围内使用本文提出的磁链估计器得到的控制结果见附录A图A2。

从附录A图A2(a)可以看出:实际转速能够很好地跟踪给定,说明系统的跟踪性能良好;转矩波动较小说明交交变频器控制的精度高。从图A2(b)可以看出,相电压幅值和转速成正比,这说明在全过程中磁链基本维持恒定。从图A2(c)可以看出,电压相位与电流相位一致,由于实际定子电流励磁分量给定为0,因此可以说明定子电流基本为转矩分量, 且图A2(a)中励磁电流可以很好地跟踪转矩电流, 从而说明电流模型计算正确。从图A2(d)可以看出,估计出的磁链消除了初始积分误差和积分饱和问题,在整个运行过程中气隙磁链幅值变化较小。

6结语

本文提出了一种可用于交交变频同步电机矢量控制系统的全速范围磁链估计器,并改进了交交变频器特有的电流断续和采样问题,对该磁链估计器进行仿真与实验。结果表明:基于比例谐振控制器的电压模型无传统电压模型的饱和及初始误差问题;综合了电流模型和基于谐振控制器电压模型的新型磁链估计器在交交变频电励磁同步电机全速范围内都可以有效地估计磁链,保证了系统的调速性能。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc. com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

摘要：交交变频电励磁同步电机矢量控制系统在大功率及特大功率低频场合有着广泛的应用,磁链估计是实现电励磁同步电机矢量控制的基础。提出了一种新型磁链估计器,估计器由电流模型磁链估计器和新型的基于比例谐振控制的电压模型磁链估计器相结合而成。采用分段线性方法对交交变频的电流断续进行补偿,采用高频采样和变周期滤波方法提取基波信号。仿真分析了估计器在稳态、动态以及全速范围的工作情况。960V/1.6MW机组实验结果表明,提出的磁链估计器在交交变频电励磁同步电机矢量控制的全速范围内均能保证系统的调速性能。

【变频电驱动系统】推荐阅读：

独立电驱动系统08-16

纯电动试验车与电驱动系统总结报告06-04

电驱动汽车07-07

电梯变频系统08-10

变频供水系统06-21