基于機(jī)電耦合動力學(xué)和數(shù)學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)軟起動特性

羅會 高翔 張素芬 成曉麗（石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

基于機(jī)電耦合動力學(xué)和數(shù)學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)軟起動特性

羅會 高翔 張素芬 成曉麗（石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

電主軸實現(xiàn)平穩(wěn)快速的啟動，對機(jī)電施工來說很重要。現(xiàn)有電動機(jī)啟動的傳統(tǒng)的迭代方式，顯然已經(jīng)不能夠傳達(dá)出電流和啟動數(shù)據(jù)的關(guān)系，且在降壓條件下不能滿足輸出頻率的需求，難以達(dá)到生產(chǎn)需要。本文結(jié)合機(jī)電耦合脈沖信號的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，通過電動機(jī)電磁設(shè)計和保真分析，并結(jié)合一些實際情況來對其軟起動特性進(jìn)行簡單介紹，給以后機(jī)電工程建設(shè)提供一定幫助。

逆變器；電主軸；機(jī)電耦合；軟起動

所謂電主軸，就是將機(jī)電床位的主要功能和電動機(jī)相結(jié)合，實現(xiàn)更多功能特性的主要結(jié)構(gòu)。具有良好的傳動優(yōu)勢，結(jié)構(gòu)緊密；傳輸速度快，對周圍產(chǎn)生的影響較小；能夠在一定范圍中實現(xiàn)短暫的起停和精確控制；電主軸通過逆變器進(jìn)行傳輸供電，具有更為便捷的啟動效率，傳輸效果比較平穩(wěn)。但是如果機(jī)電主軸的參數(shù)配比不對，就會造成機(jī)電耦合振動，影響電主軸的傳輸，引起設(shè)備溫度的升高，還會反饋給電網(wǎng)，影響電源模型的配置參數(shù)，進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定。如果進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)之間的平穩(wěn)調(diào)節(jié)，就不會產(chǎn)生機(jī)電耦合參數(shù)的變化，因此改變機(jī)電啟動時間相當(dāng)重要。

1 軟起動過渡過程機(jī)電耦合機(jī)理

為實現(xiàn)電主軸轉(zhuǎn)輪線速度的改變，提升電動機(jī)工作的穩(wěn)定性，通常采用較大的磨砂齒輪，因為機(jī)床的電主軸使用的傳統(tǒng)慣量不如磨用電主軸，下面主要通過磨用電主軸進(jìn)行簡單分析，對機(jī)電機(jī)床施工的降頻生產(chǎn)合理探究。在系統(tǒng)軟起動規(guī)律下，通過機(jī)電軟起動和降頻啟動都會對逆變器參數(shù)產(chǎn)生一定影響，電主軸參數(shù)和磨砂齒輪和系統(tǒng)頻率能夠產(chǎn)生一定的過渡作用，對于正弦式電壓供電能夠進(jìn)行降壓軟起動，在過渡過程中會有一定程度的下降，尤其在砂輪的變化過程中會明顯有轉(zhuǎn)動電流的變化。這種明顯變化，在逆變器輸出中呈現(xiàn)顯著特征，電流會呈現(xiàn)脈沖式諧波變化，容易產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩。如果多次正弦式電流產(chǎn)生相互作用的效果，那么轉(zhuǎn)動電主軸就會產(chǎn)生明顯的變化，磨砂齒輪引起振動，引發(fā)更高層次的諧波機(jī)電耦合振動。

2 這里的數(shù)學(xué)建模，主要是研究電力負(fù)荷母線上的總體負(fù)荷吸收的功率隨著負(fù)荷母線的電壓和頻率的變動而變化的關(guān)系，這種用于描述負(fù)荷特性的數(shù)學(xué)方程即為電力負(fù)荷模型

電力負(fù)荷模型對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的計算結(jié)果影響較大。在臨界情況下，還有可能改變定性結(jié)論，或者掩蓋一些重要現(xiàn)象。不恰當(dāng)?shù)呢?fù)荷模型會使得計算結(jié)果與實際情況不一致。負(fù)荷模型是否正確，將會直接影響電力系統(tǒng)的運行。所以，采用不同的負(fù)荷模型，計算結(jié)果可能因相差一條線路的投資，相差上百萬元。

3 啟動性能的規(guī)律

電主軸的降壓軟起動過程中，通常會產(chǎn)生大量的高層次諧波振動，引起啟動系統(tǒng)變化。為了減少這種系統(tǒng)軟起動的效果，以下結(jié)合軟起動的具體過程進(jìn)行分析，探尋軟起動的效果。

3.1 逆變參數(shù)對系統(tǒng)軟起動性能的影響

逆變器的工作中，調(diào)節(jié)電主軸和降壓頻率，電主軸的主要參數(shù)和磨砂振子都不會產(chǎn)生影響。在實驗中，首先維持一定的啟動時間，然后將電主軸狀態(tài)下設(shè)備的變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，分析系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性，在短期內(nèi)進(jìn)行逆變參數(shù)的調(diào)節(jié)。

3.1.1 起動頻率對系統(tǒng)軟起動性能的影響

在起動頻率對電主軸產(chǎn)生一定危害時，其他設(shè)備的逆變規(guī)律不會產(chǎn)生影響，其中逆變器主頻主要維持在9khz。通過實驗顯示，在不同起動狀態(tài)下機(jī)電耦合動力參數(shù)是不一樣的，仍然存在較高的降頻起動性能，且會隨著頻率的升高逐漸發(fā)生改變。電主軸在不同頻率下也得到不同的啟動分子，和砂輪模塊變化，這類啟動頻率的變化很難受到電主軸脈沖信號的影響，峰值電流不會產(chǎn)生較大影響，同時由于脈沖轉(zhuǎn)矩在不同頻段內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)，導(dǎo)致三角波載頻率受到一定影響，調(diào)節(jié)周期在逆變電流周期進(jìn)行變化。

由此可見，逆變電流的高層次主頻機(jī)電耦合變化，不僅僅存在于機(jī)電主軸系統(tǒng)上，更多的是其他系統(tǒng)的主要頻率變化對于負(fù)載周期的影響，而這種影響也會對負(fù)載機(jī)械傳動系統(tǒng)產(chǎn)生作用，必須提前進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 電動機(jī)電磁設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)軟起動性能的影響

電動機(jī)中不同頻段的脈沖信號，能夠直接影響到脈沖轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的變化，破壞其設(shè)計穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)，所以應(yīng)對系統(tǒng)軟起動平臺的變化加以抑制，使用對電動機(jī)電磁設(shè)計最為有利的參數(shù)。從實驗中我們發(fā)現(xiàn)，在啟動峰值電子參數(shù)的作用下，電主軸啟動的過渡會產(chǎn)生很大變化，以磨砂齒輪振動為前提的電流峰值變化，完全取決于高層次諧波脈沖信號的影響。而為了降低脈沖電流對啟動效果的影響，一般都會采用機(jī)械振動的方式對電流進(jìn)行短暫的沖擊效果，使用定量的電子模式來滿足工程建設(shè)中的需求。

通過對高層次諧波機(jī)電耦合振動調(diào)節(jié)，電動機(jī)的效率明顯較低，系統(tǒng)飽和度很小，功率參數(shù)不容樂觀。并且對高層次電流波動存在一定抑制作用。機(jī)電系統(tǒng)平穩(wěn)性的傳遞，能夠體現(xiàn)電動機(jī)的綜合特性，而負(fù)載參數(shù)的分配變化一般在系統(tǒng)降頻部分較為合理。

3.3 轉(zhuǎn)子槽形對系統(tǒng)軟起動性能的影響

對于電動機(jī)的轉(zhuǎn)子而言，一般槽形轉(zhuǎn)子更能夠發(fā)揮電動機(jī)參數(shù)的主要優(yōu)勢，發(fā)揮系統(tǒng)性能的強(qiáng)力作用。因為其主要電動機(jī)的波動峰值變化較大，缺乏相應(yīng)的電動磁飽和模塊，穩(wěn)定性能如何，仍然有待探索。

4 結(jié)語

本文結(jié)合機(jī)電耦合動力學(xué)模型的實驗，對電主軸系統(tǒng)降壓降頻方式進(jìn)行簡單分析，展現(xiàn)出機(jī)電耦合的機(jī)理。通過大量分析體現(xiàn)，逆變器在高頻變流條件下能夠引發(fā)系統(tǒng)機(jī)電參數(shù)的變化，而關(guān)于機(jī)電耦合動力學(xué)模型主軸結(jié)構(gòu)的形狀，仍然需要進(jìn)一步進(jìn)行探索和研究。

[1]呂浪,熊萬里.基于機(jī)電耦合動力學(xué)模型的電主軸系統(tǒng)軟起動特性[J].機(jī)械工程學(xué)報,2014,03:78-91.

[2]呂浪,熊萬里,侯志泉.面向機(jī)電耦合振動抑制的電主軸系統(tǒng)匹配特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報,2012,09:144-154.

羅會，助教，石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，研究方向：機(jī)械制造及自動化

高翔：副教授，石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，研究方向：高等數(shù)學(xué)

張素芬：副教授，石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，研究方向：高等數(shù)學(xué)