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大功率同步電機直接轉矩控制系統
1970年01月01日 08:00 工控產業網

  隨著電力電子技術和直接轉矩控制(DirectTorqueControl,簡稱DTC)技術的發展,使得在低轉速大功率傳動領域中,DTC同步電機變頻調速系統成為一種更先進的傳動方式。它的過載能力強,效率高,控制性能達到或超過直流調速水平。ABB公司生產的ACS6000變頻器系統已成功用于煤礦主井提升機上,其驅動電機為4000kW同步電機,采用DTC方案,輸出額定頻率為7.25Hz,其調速性能及節能效果遠大于AC/AC變頻器驅動的同步電機傳動系統。國內學者對DTC的研究主要集中在異步電機和永磁同步電機的控制上,而很少涉及大型同步電機DTC的研究。本文以大型煤礦主井提升機變頻調速系統,即變頻器加同步電機為基礎,對大型同步電機DTC系統進行了剖析和實際測試。

  2同步電機眾所周知,同步電機的效率、功率因數都高于異步電機,而且容量大,一般500kW以上的交流電機研究方向為電力電子技術和電力傳動控制。

  22均為同步電機,在大容量傳動領域,同步電機具有無可比擬的優越性。ACS6000變頻器已成功用于煤礦主井提升機同步電機調速控制上。所驅動的主井提升同步電機參數:凸極數量2P=16,額定轉矩Tn= 700kNm,額定輸出功率PN=4000kW,額定速度nN= 54.7r/min,額定定子電壓Un=3150V,額定頻率fN=7.27Hz,額定定子電流In=768A,額定輸出效率n= 95.5,額定勵磁電壓Un=226V/DC;額定勵磁電流同步電機變頻調速系統由變頻器加同步電機加位置檢測器組成。它采用直流自控式,50Hz交流整流成直流,然后由逆變器轉換成頻率可調的交流供給同步電機。同步電機的DTC需要進行坐標變換,示出其定子、轉子坐標系。d,q坐標系是固定在轉子上'的旋轉坐標系,其中轉子勵磁磁鏈的軸向為d的正方向,d軸與A相繞組的夾角為§。x,y坐標系為固定在定子上的s旋轉坐標,定子勵磁磁鏈的方向為x軸的正方向。x軸與d軸的夾角e為轉矩角,X軸超前d軸時e為正,在忽略定子電阻的情況下,e即為同步電機的功角。當電機穩態運行時,定子、轉子勵磁磁鏈都以同步速旋轉。因此,在恒定負載下,e為恒定值。當電機瞬態運行時,e則因定子、轉子旋轉速度的不同而不斷改變。

  在轉子d,q坐標系下,同步電機的磁鏈、電壓、轉矩表達式為:Ud,Uq定子繞組d,q軸的電壓Ld,Lq定子繞組d,q軸的電感U定子端電壓定子磁鏈R定子繞組電阻Pn電機極對數轉子磁鏈在定子側的耦合磁鏈T電磁轉矩Q角頻率由同步電機相量圖可知,sine丨丨,ose丨丨,將其代入式(3),則:若屯的幅值傘恒定,T正比于定子電流的y軸分量,屯在x,y軸上的變換為4x=Lsix+4cos9dy=Lsiy-dfsine由于x軸在ds dfsine將iy=:sine代入轉矩算式:由式(5)可知,同步電機的T與功角成近似線性關系,它忽略了凸極結構產生的磁阻轉矩。三相電壓型逆變器采用全控型功率器件IGCT. 3同步電機的DTC系統DTC是繼矢量控制以后又一次研究出的先進控制方法。它是在定子坐標系下分析同步電機的數學模型,以控制電機的磁鏈和轉矩;它采用了空間矢量的概念分析了三相同步電機的控制參變量,直接對轉矩和磁鏈實行控制,已用于控制主井提升同步電機的調速中。示出同步電機DTC系統框圖。

  隊,叫,叫三相同步電壓3.1外部測量信號的輸入DTC系統需要輸入的外部測量信號有逆變器直流側電壓Udc、定子兩相電流ia,ib和轉子位置信號e.ic可由ia+ib+ic=0算出,e可由裝在轉子上的光電編碼器獲得。

  3.2磁鏈的估算軸上的電流分量為ix=(3/2)ia,iy=(V3/2((ia+2ib);Ux,Uy的計算可根據測量的及逆變器的開關狀態Sa,Sb,Sc換算得出。于是,可算出定子磁鏈值Ids=Vdx2+dy2,ds與給定磁鏈d進行比較,經過磁鏈滯環比較器,可得磁鏈控制信號Ad. 3.3轉矩的估算在DTC中,需要以T作為反饋量,但直接測量T困難,一般采用T=(3/2)Pn(dxiy-dyix)的計算方法。

  計算得到的T值與轉矩給定值T比較,之后的T偏差經過轉矩滯環比較器,得到轉矩控制信號AT.通過計算得出dx,dy,即可算出定子所處的扇區S,其計算方法略。

  3.4電壓矢量開關表計算產生AdAT,Sn信號后,就可查電壓矢量開關表,選擇正確的電壓空間矢量,即逆變器的開關狀態,逆變器的開關狀態轉換成6相PWM脈沖,控制逆變器IGCT的通斷。

  3.5速度調節器由安裝在轉子軸上的光電編碼器檢測到e便可算得轉子的實際轉速n即n=(30/n)de/dt.將速度給定n與n相比較,得到速度偏差An,通過PI調節器,輸出作為T,則n=n-n,T=Kp如(t)+з。6勵磁電流的調節由同步電機原理可知,調節f可控制同步電機的功率因數(PF)。若設定同步電機的功率因數cos 4=1,要調節PF,則必須先估算出實際的PF;電磁功率Pm=3UIcos屯電磁轉率Tm=Pm/壓u、相電流i,可估算出電機的實際PF.較后,兩者的誤差經PF調節器后產生同步電機的If給定信號碼If,與If的反饋值If比較后,再經過If調節器,輸出勵磁回路的觸發脈沖移相控制信號,以調節同步電機If的大小。

  4<1,且為感性時,說明電機的無功分量大,需要增大If,控制觸發脈沖前移。反之,當電機的cos4<1,且為容性時,需要減小f控制觸發脈沖后移。經過If的動態調整,使電機處于正常的勵磁狀態,PF可達到1. 4系統測試針對ACS6000變頻器帶同步電機調速進行了系統測試分析,同步電機參數如前所述。同步電機采用三相星形接法,DTC的控制周期為25ys,即通過同步電機模型每間隔25ys算出電機的磁鏈和轉矩。示出同步電機穩態運行時測得的線電壓и。和線電流i.實驗波形,給定頻率為=15Hz,電流波形基本接近正弦波,諧波含量較小,而u.的波形中出現了很多換相尖峰脈沖,這是因為沒有使用動態濾波器引起的,所以若使用濾波器,則可基本消除。

  逆變器輸出¥1.和i.實驗波形對閉環控制回路,由于控制周期非常短,使得DTC比其他控制系統的動態響應更快。示出同步電機在70穩態運行時的T,T及A相電流ia和C相電流ic的響應曲線。其中,T為100的階躍信號,實際轉矩從0增加到100轉矩的響應時間為3ms,而采用矢量控制需要1040ms,SPWM標量控制的響應時間大于150ms,這說明同步電機的DTC n和實際轉速n的響應曲線。其響應時間為40ms,無論是增加n,還是減小n,都有一定的超調。b示出n=90r/min,Ai=0.5r/min時n和n的響應曲線。

  其響應時間為100ms,響應時間變慢,但基本無超調。另外,可將同步電機的穩態速度誤差控制在0.1~0.5,動態速度誤差控制在每秒0.5之內。

  5結論米用ACS6000驅動同步電機的提升機父流調速系統,其穩態調速精度小于0.05,空載定位精度大于等于10mm,重載定位精度小于等于20mm,完全可以滿足礦井提升原煤的工藝要求。運行實踐證明,該系統性能良好,提升效率明顯高于同類型設備,能耗大幅度下降。但系統的技術難度很高,工程設計與調試技術等方面均達到了國際先進水平。本文為較好地消化吸收大型主井提升機傳動裝備的變頻調速技術,也為我國新建礦井的電控提升系統以及系統的國產化提供了理論指導和技術支持。

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