高頻振動(dòng)電機(jī)專用變頻器的研究

蔡澤平 黃俊鵬

【摘?要】隨著我國綜合國力的提升，我國電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)逐漸趨于完善，其節(jié)能效果明顯、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡單等特性保證了在工礦企業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，取代了很多舊式傳動(dòng)控制方式。煤礦中，變頻器主要應(yīng)用于提升機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、皮帶機(jī)、架空人車等處，用于設(shè)備的軟起動(dòng)、軟停車及運(yùn)行過程控制等。隨著井下用電設(shè)備功率密度增大、電壓等級上升，額定電壓6kV、10kV的更高壓變頻器也在研發(fā)與推廣當(dāng)中。由于變頻器的主要組成部分整流電路和逆變電路由半導(dǎo)體器件工作在非線性的開關(guān)狀態(tài)，運(yùn)行中引起正弦波的畸變，結(jié)果導(dǎo)致大量的諧波產(chǎn)生于其供電回路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)端，對負(fù)載及臨近設(shè)備產(chǎn)生干擾，帶來了諧波干擾問題。在變頻器得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，這一干擾對井下電網(wǎng)、人員定位、監(jiān)控系統(tǒng)、電機(jī)等周圍設(shè)備的影響正受到礦企、安標(biāo)準(zhǔn)入機(jī)構(gòu)、設(shè)備廠家等的高度重視。

【關(guān)鍵詞】高頻振動(dòng);電機(jī);專用變頻器

引言

高頻振動(dòng)電機(jī)需要三相200HZ交流電源，則需要將380V/50Hz三相交流電源先經(jīng)過整流濾波處理變成直流電源，再經(jīng)過逆變成380V/200Hz三相交流電源。在逆變過程中，需要調(diào)制，調(diào)制技術(shù)有電壓空間矢量脈寬調(diào)制，其中電壓空間矢量脈寬調(diào)制在電機(jī)控制系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，它從電機(jī)的角度出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得幅值恒定的圓形磁場，即正弦磁通，逆變過程中通過三相橋臂開關(guān)管的不同開關(guān)模式產(chǎn)生實(shí)際磁通去逼近基準(zhǔn)磁通圓，從而達(dá)到較高的控制性能，本文主要對高頻振動(dòng)電機(jī)專用變頻器進(jìn)行分析，詳情如下。

1高壓變頻器的特性

高壓變頻器主要有節(jié)能效果顯著、延長設(shè)備使用壽命、不斷提高企業(yè)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)水平、減少高壓變頻器對電網(wǎng)的啟動(dòng)沖擊以及減少電源的功率儲(chǔ)備等諸多優(yōu)勢。就延長設(shè)備使用壽命問題而言，借助高壓變頻器啟動(dòng)設(shè)備，在設(shè)備實(shí)際啟動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對電動(dòng)機(jī)的沖擊值較小，能夠降低電動(dòng)機(jī)的絕緣損害。且電動(dòng)機(jī)在具體啟動(dòng)過程中，運(yùn)行壓力值與風(fēng)量值處于更平穩(wěn)狀態(tài)，降低對電動(dòng)機(jī)低負(fù)荷狀態(tài)時(shí)的磨損，延長設(shè)備的具體使用時(shí)間，降低企業(yè)設(shè)備的基本維護(hù)成本。

2基于電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型

2.1矢量控制

基于電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的高壓變頻器矢量控制策略，主要是借助電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的坐標(biāo)變換為基礎(chǔ)理論依據(jù)，根據(jù)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)電流勵(lì)磁分量以及轉(zhuǎn)矩分量的變化，使交流電機(jī)能夠在實(shí)踐應(yīng)用過程中像直流電機(jī)一樣單獨(dú)控制其勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量運(yùn)行過程，從而保證交流電動(dòng)機(jī)在變頻器閉環(huán)控制系統(tǒng)中得到媲美于直流電動(dòng)機(jī)的良好性能狀態(tài)。但在電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)模型速度控制過程中，相關(guān)工作人員必須事先確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈的具體位置，也就是必須對電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的磁鏈幅度值及其轉(zhuǎn)動(dòng)值進(jìn)行精確控制，保證電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)處于良好工作狀態(tài)。然而，電動(dòng)機(jī)的磁鏈一般并不直接檢測，往往是在矢量控制系統(tǒng)中利用電動(dòng)機(jī)參數(shù)信息計(jì)算出電動(dòng)機(jī)磁鏈位置，具體傾角和具體數(shù)據(jù)，但該類方法大多與電機(jī)運(yùn)行參數(shù)有關(guān)，電機(jī)運(yùn)行過程中的參數(shù)又會(huì)進(jìn)一步隨著環(huán)境、溫度以及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件變化在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。

2.2無速度傳感器控制

基于電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型的無速度傳感器控制技術(shù)主要是在上述矢量控制方案上，利用電動(dòng)機(jī)的定子邊較容易測得相關(guān)電壓、電流值數(shù)據(jù)信息，推算出電機(jī)的整體轉(zhuǎn)速和磁通量，以此實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的科學(xué)控制。通常情況下，利用無速度傳感器控制高壓變頻器調(diào)速系統(tǒng)，并不需要對其硬件設(shè)備進(jìn)行進(jìn)一步檢測，也就直接避免了該控制系統(tǒng)硬件設(shè)備檢測所帶來的諸多問題，直接提高了控制系統(tǒng)的可靠性、科學(xué)性與精確度，也在一定程度上降低了該控制系統(tǒng)的實(shí)際成本。

2.3對拖機(jī)組

對拖機(jī)組由多個(gè)同軸連接的電機(jī)組成。由于在測試中，需要對被試樣品進(jìn)行加載，變頻器最直接的加載設(shè)備即為電機(jī)，為獲得將被試樣品工作在滿載的工作狀態(tài)所需的工作電流，最好根據(jù)樣品配置同電壓、同功率的電機(jī)作為加載電機(jī)。同時(shí)，加載電機(jī)也需要工作在對應(yīng)的滿載工作狀態(tài)，因此需要為加載電機(jī)的機(jī)械功率找到消耗途徑。故為加載電機(jī)同軸連接一臺(tái)同規(guī)格、提供反向扭矩的負(fù)載電機(jī)，作為電能—機(jī)械能—電能循環(huán)的路徑。兩臺(tái)電機(jī)對拖，同轉(zhuǎn)速、扭矩互為反向，通過調(diào)節(jié)負(fù)載電機(jī)的扭矩將被試變頻器樣品輸出電流拉至所需的大小因此，被試樣品拖動(dòng)加載電機(jī)形成被試電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，陪試變頻電源拖動(dòng)負(fù)載電機(jī)形成陪試PDS，兩套PDS在同一試驗(yàn)電網(wǎng)下、通過聯(lián)軸器進(jìn)行機(jī)械連接，被試PDS工作于用電狀態(tài)，陪試PDS工作于發(fā)電狀態(tài)，構(gòu)成了一條封閉功率循環(huán)路徑，形成交流回流系統(tǒng)，達(dá)到前文所述之節(jié)能目的，實(shí)現(xiàn)測試所需的工作狀態(tài)。聯(lián)軸器使用膜片聯(lián)軸器，具有一定的偏移量承載能力，傳遞扭矩能力強(qiáng)，尤其不需要潤滑維護(hù)。聯(lián)軸器間設(shè)置轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，通過光纖總線連接至服務(wù)器和上位機(jī)，用于實(shí)時(shí)上傳電機(jī)組的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速參數(shù)。

2.4電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲輻射分析方法

針對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的評價(jià)指標(biāo)，從NVH激勵(lì)源方面來說，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的徑向電磁力與轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的齒輪傳遞誤差均為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)噪聲的激勵(lì)源。但這些NVH激勵(lì)源的指標(biāo)無法很好的直接聯(lián)系到電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輻射噪聲的大小，而噪聲輻射是用于評估電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)NVH性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，因此需要針對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行噪聲輻射仿真分析，以獲取在振動(dòng)激勵(lì)源作用下電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輻射噪聲?；陔婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，便可進(jìn)行電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輻射噪聲仿真分析。1）聲學(xué)有限元法.針對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)噪聲輻射仿真分析，聲學(xué)有限元分析法是指利用有限元將電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)周圍聲傳播的空氣域進(jìn)行離散化，并根據(jù)聲學(xué)波動(dòng)方程進(jìn)行空氣域中的聲特性求解。2）聲學(xué)邊界元法.針對電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)聲場輻射除了有限元方法外，常用的還有邊界元方法，聲學(xué)邊界元與聲學(xué)有限元的不同之處在于聲學(xué)邊界元采用面網(wǎng)格而非有限元法采用的體網(wǎng)格劃分部件。同時(shí)聲學(xué)邊界元方法可分為直接邊界元和間接邊界元，其不同之處在于直接邊界元法要求網(wǎng)格封閉，而間接邊界元無此要求。此外，直接邊界元可以選擇計(jì)算內(nèi)部聲場或者外部聲場，間接邊界元?jiǎng)t可同時(shí)計(jì)算內(nèi)聲場和外聲場。

結(jié)語

總之，變頻器使用過程中必須結(jié)合高壓變頻器基本性質(zhì)，再探究高壓變頻器重要控制策略的基礎(chǔ)上，根據(jù)企業(yè)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)情況，針對性地對高壓變頻器的改造等進(jìn)行優(yōu)化，為企業(yè)長久的發(fā)展和良好經(jīng)濟(jì)價(jià)值的取得奠定基礎(chǔ)。

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（作者單位：河南工學(xué)院）