调速特性范文（精选6篇）
调速特性 第1篇
关键词：液体粘性调速离合器,转矩计算,工作特性
0 前言
液体粘性传动是上世纪70年代中期发展起来的一种新型流体传动形式。此传动形式利用存在于主、从动摩擦片之间油膜的粘性剪切作用力来传递动力, 能够实现主、从动轴之间的无级调速和同步运行, 并且也能对传动系统进行过载保护。
液体粘性离合器能实现带式输送机等设备的慢速、满载平稳启动, 多电机的负载平衡, 降低对电气及其它部件的技术要求, 提高矿用绞车和带式输送机的可靠性和使用寿命。随着我国煤炭事业的发展, 液体粘性调速离合器在煤矿生产中得到了广泛的应用。本文为此介绍了液体粘性离合器 (以下简称为液粘离合器) 的工作原理, 并对其工作特性分析进行了分析。
1 液粘离合器的工作原理
1.1 液粘离合器的组成
离合器主要有五大部分组成, 包括主动部分、被动部分、控制系统执行元件部分、润滑密封部分和支承部分。其结构示意图如图1所示, 其中输入轴和主动片属于主动部分, 输出轴和被动片属于被动部分, 箱体及轴承属于支承部分。
1.2 液粘离合器的工作原理
液体粘性传动是基于牛顿内摩擦定律的, 即如图2所示的两相对运动平板间单位面积上的油膜剪切力F, 与液体的动力粘度及平板间的相对速度v成正比, 与油膜厚度δ成反比。
在实际应用中, 液粘离合器的输入轴通常与电动机相连, 输入转速可视为常量, 输出轴与负载相连, 输出转速为变量。启动开始阶段, 在弹簧作用下, 主、副摩擦片打开, 主动轴转动, 被动轴无转动。启动过程中, 在控制系统压力油的作用下, 被动摩擦片逐渐接近主动摩擦片, 输出轴逐渐被带动, 直至主、副摩擦片完全结合, 实现了软启动。同理, 逐渐降低控制系统压力, 主、副摩擦片可逐渐打开, 实现软停车的功能。
2 液粘离合器的工作特性
2.1 液粘离合器的工况
液粘调速器具有以下三种工作状况:
(1) 同步工况:在足够大压紧力作用下, 主、被动摩擦片处于完全结合状态, 这时主、被动摩擦片同步转动, 输出转矩达最大值。
(2) 脱离工况:当压紧力较小, 主、被动摩擦片完全脱开, 输出转速接近于零。
(3) 调速工况:当压紧力一定情况下, 主、被动摩擦片之间形成一定的间隙 (即油膜厚度适中, 输出轴转速低于输入轴转速) 。此时由于摩擦间存在相对滑动, 从而产生较大的热量, 必须由冷却油带走。
2.2 传动转矩的计算
如图3所示, 主、从动摩擦片以ω1和ω2转动, 间距为h, 在接合半径r处圆环宽度dr微小面积上靠液体剪切力传递的转矩为dM0=τ2πrdr, 则积分可求得单个摩擦片上传递的转矩值M0:
M0=undefined
考虑到摩擦片的数量 (结合面数为Z) , 以及Δω=ω1-ω2=2π (n1-n2) , 可得摩擦片传递的总转矩为:
undefined
式中:μ为油动力粘度, Pa.s;D为摩擦片有效工作面外径, m;r为摩擦片有效工作面内径, m;n1为主动摩擦片转速, r/m;n2为被动摩擦片转速, r/m;h为主、被动摩擦片之间油膜厚度。
由计算结果可得知, 在主、副摩擦片间隙给定的情况下, 输出/输入转速比与实际输出的转矩成线形关系。在输出/输入转速比一定的情况下, 转矩与主、副摩擦片间的间隙成反比关系。
2.3 调速特性及效率分析
液粘调速离合器是通过改变摩擦片间间隙h的大小使Δω变化来实现调速的, 由式 (2) 可知, 调速器传递的转矩M与转速差Δω、摩擦片间隙h相关, 所以负载的负荷特性直接影响离合器的调速特性。将式 (2) 进一步变换, 可得到离合器的传动比为:
undefined
(1) M为常数。
从式 (3) 可看出, 当M一定时, 传动比与h间成线性关系, i21随h的增大而减小。特殊地, 当undefined时, i21=0, 调速器摩擦片将完全脱离, 输出轴转速为零。
由输入功率N1=M·ω1=常数, 输出功率N2=M·ω2=M·ω1·i21, 求出损失功率N0=N1-N2=M·ω1 (1-i21) 。当i21=0时, 损失功率最大;当i21=1时, 损失功率最小。
(2) M与转速成线性关系。
设M=c·ω2+e, , c和e均为可根据不同控制策略设定的不变常量。则可求出传动比为:
undefined
显然, 此时传动比与h成非线性关系。
此时输入功率为:
N1=M·ω1=cω2ω1+eω1, 输出功率N2=Mω2=cωundefined+eω2, 损失功率undefined, 则可求出, 当undefined时, 功率损失最大。
液粘离合器的效率为:
undefined
即调速离合器的效率等于传动比。
3 结语
(1) 液粘调速器可以在较大范围内实现无级变速, 在高速比、大负载时, 可使主、从动摩擦片完全接合, 即直接传动, 传动效率最高, 理论为1。
(2) 液粘调速器的调速特性取决于负载与转速间关系。
(3) 可以实现在不同工况下工作, 正向、反向均可使用, 正向传动是调速器、反向传动为制动器。传动时, 输入轴转矩与输出轴转矩恒等, 但方向相反, 即这种调速器没有变矩能力。
(4) 液粘调速器传递扭矩的能力与摩擦片数目、有效接触面积成正比, 与摩擦片的间距 (即油膜厚度) 成反比。
参考文献
[1]魏宸官, 赵家象.液体粘性传动技术[M].北京:国防工业出版社, 1996.
[2]张炳福, 蒋卫粮.液体粘性传动变速装置[J].煤矿机电, 1998, (3) :8-10.
[4]罗广群, 姚伟, 曹建文等.液粘调速软启动技术及稳定性分析[J].中国煤炭, 2004, (6) :32-36.
无刷双馈电动机开环调速特性研究 第2篇
无刷双馈电动机 (Brushless Doubly-fed Machine, BDFM) 是一种新型交流调速电动机, 具有无电刷与滑环、结构简单、运行可靠、所需变频器容量小等优点, 并兼有异步电动机和同步电动机的共同特性, 结合变频调速装置可实现异步、同步、双馈等多种运行方式。BDFM在电气传动中的调速节能与变速恒频发电领域具有广阔的应用前景[1]。本文在分析BDFM结构原理与数学模型的基础上, 对其开环调速特性进行了仿真与实验研究, 为该类电动机控制策略的研究与应用提供了依据。
1 BDFM基本原理
BDFM的定子绕组由两套极对数不同的对称三相绕组构成, 极对数为Pp的定子绕组称为功率绕组, 极对数为Pc的定子绕组称为控制绕组;两套定子绕组在电路和磁路方面是解耦的, 取消了电刷与滑环。BDFM转子采用自行闭合的环路结构, 转子极对数Pr= Pp+Pc。因此, BDFM等效于一台极数为2 (Pp+Pc) 的交流电动机。通常控制绕组连接可逆变频器, 用作交流励磁绕组, 从而构成BDFM变频调速系统, 如图1所示[2]。当BDFM稳定运行时, 电动机转速nr为
式中:fp为功率绕组的电源频率;fc为控制绕组的电源频率。fc =0表示控制绕组采用直流励磁, 称为自然同步运行;fc前取“+”表示功率绕组与控制绕组三相电源相序相同, 此时的调速称为超同步调速;fc前取“-”则表示两套绕组三相电源相序相反, 此时的调速称为亚同步调速。
式 (1) 表明, 当Pp、Pc、fp恒定时, 可通过改变fc实现BDFM调速目的。
2 BDFM数学模型
从BDFM基本方程出发, 利用坐标变换理论, 推导出其转子速d-q数学模型[3]。考虑到BDFM转子采用自行闭合的环路结构, 转子d轴和q轴电压均为0, 可得简化后的转子速d-q模型为
式中:u表示电压的瞬态值;i表示电流的瞬态值;r表示电阻;L表示自感;M表示互感;p为微分算子;ωr为电动机的机械角速度;下标p、c、s、r、d、q分别表示功率绕组、控制绕组、定子侧、转子侧、d轴分量、q轴分量。
根据电动机能量转换原理, BDFM的电磁转矩方程为
undefined
式中:Te为电磁转矩。
根据电动机的旋转状态, BDFM的机械运动方程为
undefined
式中:J为转动惯量;Tl为负载转矩;k为转动阻尼系数。
式 (2) ～ (4) 构成了BDFM转子速d-q坐标系数学模型。
3 BDFM开环动态仿真
3.1 仿真模型
在Matlab/Simulink环境下, 利用转子速d-q数学模型对BDFM的开环特性进行仿真研究, 仿真模型如图2所示[4]。该模型由信号源输入模块、坐标变换计算模块、BDFM动态模块和信号输出模块等组成。其中功率绕组采用正相序星型并连接工频电网, 控制绕组采用正相序连接可调电源。为了仿真频率突变的过程, 控制绕组加电压的时间必须是可控的。根据恒压频比 (V/F) 控制策略, 控制绕组由可控模块提供三相频率可变的电压。输出的电流信号是经过坐标反变换后的实际信号波形。
3.2 仿真及结果分析
BDFM仿真参数:Pp=3, rp=1.52 Ω, Lsp=0.390 2 H, Mpr=0.305 H, Pc=1, rc=1.625 Ω, Lsc=0.406 H, Mcr=0.35 H, rr=6.2 Ω, Lr=0.65 H, J=0.02 kg·m2, k=0。
仿真过程中, 分别在t=0 s、t=2 s、t=4 s、t=6 s、t=8 s时使电动机运行在单馈异步、双馈亚同步、双馈自然同步、双馈超同步、加载运行状态。电动机由单馈异步模式空载启动, 即控制绕组开路电压Uc=0, 转速上升并稳定在理想空载速度1 000 r/min。在双馈运行模式下, 调节控制绕组励磁电源的频率和幅值, 并保持V/F=9, 以实现电动机转速的稳定调节。期间调节控制绕组励磁电源频率为反相序5 Hz、0 Hz及同相序5 Hz、10 Hz, 电压幅值为45 V、5 V、45 V、90 V, 电动机分别对应运行于亚同步速675 r/min、自然同步速750 r/min、超同步速825 r/min以及超同步速900 r/min, 并在转速900 r/min期间突加10 N·m2负载。
仿真结果如图3～图6所示。从图中可看出, 在单馈异步模式运行时, BDFM具有与普通异步电动机相同的自启动能力和机械特性;在双馈模式运行时, BDFM具有与普通同步电动机相同的机械特性和调节特性, 完全符合式 (1) 的转速特性关系。由于BDFM采用开环控制, 而且在自然同步状态下需要改变绕组接法进行直流励磁, 所以在重新同步的过程中, 电流、转速与转矩等都存在短时较大振荡。在超同步状态下突加负载时, 转速能够较快地稳定。
4 BDFM开环调速实验
4.1 实验电路
通过搭建硬件实验平台进一步验证BDFM的开环调速特性[3,5]。实验用BDFM样机主要参数如表1所示。
BDFM开环调速实验简化硬件电路如图7所示, 其中电动机功率绕组和控制绕组的电源均以星型正相序连接。功率绕组通过三相自耦调压器连接工频电网, 自耦调压器用于将功率绕组的输入线电压降低为220 V, 从而降低异步启动时功率绕组的冲击电流。控制绕组励磁系统的主处理器采用TI公司生产的TMS320F2812型DSP, 系统主回路为交-直-交电压型变频器, 整流部分与逆变部分均采用二极管中点箝位式三电平拓扑结构, 整流前端连接三相自耦调压器以降低电压等级, 电动机转子通过转速转矩测试仪连接负载。实验中直流母线电压为380 V, 载波频率为1 kHz, 采用恒V/F控制。
4.2 实验结果分析
通过三电平变频器调节控制绕组频率在10～15 Hz之间变化, 实现电动机转速在900～975 r/min之间变化。转速转矩测试仪测得的电动机转速波形如图8所示。调速过渡期间, 控制绕组的线电压与相电流波形如图9所示, 功率绕组的相电压与相电流波形如图10所示, 图中横坐标为200 ms/格, 纵坐标电压为200 V/格, 电流为5 A/格。
实验结果表明, BDFM在超同步调速期间控制绕组与功率绕组均从电网吸收能量, 与仿真结果相似, 实验样机的调速特性完全符合式 (1) 的转速特性关系。由于实验中的变频器采用双三电平拓扑结构, 控制绕组侧可获得良好的电压与电流波形, 谐波含量小, 电动机转速过渡平缓, 通过变频器调节控制绕组的励磁电流频率, 即可实现电动机调速的目的。
5 结语
在分析BDFM结构原理与数学模型的基础上, 采用恒压频比控制, 在开环下对BDFM的调速特性进行了计算机仿真与实验研究。仿真与实验结果显示, BDFM控制简单, 调速性能优越。实验中的变频器采用双三电平拓扑结构, 使得变频调速系统具有良好的控制性能且能实现能量的双向流动, 尤其适用于中高压大功率场合。本文研究结果为BDFM在大型水泵、风机调速和风力发电领域的开发应用提供了参考依据。
参考文献
[1]黄守道, 王耀南, 王毅, 等.无刷双馈电机有功和无功功率控制研究[J].中国电机工程学报, 2005 (4) :89-95.
[2]张贞飞, 何凤有, 邓园, 等.变速恒频无刷双馈发电机开环动态仿真[J].微特电机, 2009 (8) :36-38.
[3]邓先明.无刷双馈电机的电磁分析与设计应用[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[4]王毅.变速恒频恒压无刷双馈电机风力发电系统的研究[D].长沙:湖南大学, 2004.
惠阳发电厂调速器特性及其故障处理 第3篇
(1) 启动机组前。开机前, 首先要检查是否有启动闭锁条件存在, “调速器非最小位”为其中的一个闭锁条件, 所以在开机前要保证调速器在最小位, 避免冲转燃爆后飞车。
(2) 启动机组过程中。惠阳发电厂机组一般是以A程序方式开机。当开机前的相应辅机投入, 一系列机械和电气准备工作完毕后, 待“允许启动”光字牌出现后按下机组启/停开关, 预润滑油泵首先启动, 机组进入预润滑程序阶段。当控制屏上“预润滑程序”光字牌出现时, 相应辅机启动开始。预润滑程序结束, 光字牌“预润滑程序”灯灭, 相应电磁阀动作。当柴油机转速达到80rpm时, 光字牌“允许起动”灯灭, 柴油机气缸中的燃油开始燃爆, 柴油机转速继续上升, 冲过300rpm后速度回落稳定在300rpm怠速运行。
根据惠阳发电厂的实际情况, 在柴油机转速继续上升过程中, 我们一般要调节调速器, 加大油门, 以确定转速冲过300rpm, 以免转速未达到300rpm而掉下来, 使启动失败。
柴油机转速达到300rpm后, 进入怠速运行状态, 怠速运行三分钟后, PLC检测到各参数正常, 微机控制系统输出“增加转速”信号到调速器马达, 调速器由“最小位置”开始增大。此过程为PLC自动控制。
当转速达到480rpm, 励磁开关自动投入。进入励磁阶段。此时我们可以适当调节调速器, 使转速上升速度加快, 达到500 rpm。
(3) 并网前。并网时, 自动准同期装置RG-84自动调节发电机电压和频率。在实际操作过程中, 有时频率波动较大, 同期指示表转动较快, 很难与系统频率一致。假如让其自动达到频率一致的要求将会需要较长的时间, 这样便会影响开机的速度, 而且也会浪费更多的柴油, 提高生产成本。此时便可以适当的调节调速器, 使同期指示表的转动以及双频率表的波动趋于缓慢, 从而较快与系统频率一致, 达到并网条件。
(4) 并网后。机组与系统并网后, 要迅速调节调速器, 加大油门, 直至负荷快速升至1MW左右, 以免负荷掉下来引起并网失败。其后, 根据负荷变化情况缓慢调节调速器, 使负荷缓慢上升, 直至达到经济负荷。
二、惠阳发电厂调速器的结构简图及其工作原理
(1) 惠阳发电厂的调速器选用的是美国伍特沃德 (Woodward) 调节器公司生产的PGG自动液压压力补偿调速器。这种类型的调速器采用很小的感应元件就能获得很大的工作能力, 可靠性好且调节精度高, 广泛应用于各种大功率柴油机中。它的结构不仅包含有灵敏的机械部件, 还包含有电气驱动及控制元件。
其结构图如图2.1所示:
(2) 结合惠阳发电厂调速器特点, 需要注意以下事项:
(1) A、B厂EAR线圈电压均为110VDC;
A、B伺服马达电压均为24VDC;
A厂两电气限位微动信号接到接触器, 电压均为110VDC, 其电气控制图如图2.2所示;而B厂两电气限位微动信号直接到PLC, 电压均为24VDC, 其电气控制图如图2.3所示。A厂调速器电气控制图如图2.2所示:
B厂调速器电气控制图如图2.3所示:
(2) 当在中控室试验时, 减A厂调速器到最小位时, “调速器非最小位”光字牌不能自动熄灭, 需复归才能熄灭;而B厂可以自动熄灭。
(3) A、B厂只有到最小位电气限位开关信号上PLC后才能有“允许启动”光字牌出现, 只要离开该微动开关, 则会出现“非最小位”光字牌信号灯。
由结构图可知:调速器内的调速马达接到上位机的动作指令后, 马达旋转带动调速杆沿着丝杆轴水平左右移动。PGG调速器设置了机械高、低限位和电气高、低限位, 电气高、低限位要先于机械高、低限位动作。调速杆沿着丝杆轴水平左右移动就带动止动螺丝来动作电气高、低限位开关, 就可以设定柴油机转速的高速、低速极限, 也是柴油机并列状态下的最高有功负荷和吹车时的最低转速。
三、常见电气故障的分析处理
(1) 故障现象一
试车时, 调整转速上升或者下降困难;与系统并列运行时, 手动、自动调整负荷无效。
故障原因分析:调速马达失灵。PGG调速器内置了伺服马达, 因为调速器内部油温高, 马达一直在高温油的喷淋下, 散热差, 温升高, 线圈容易老化, 绝缘降低造成马达损坏, 而且调速器液压油也会沿着马达转轴渗入内腔, 污染马达碳刷, 使碳刷与换向器之间接触不良, 影响马达正常运转。另外如果减速箱内部的齿轮出现问题, 也会导致以上故障现象的出现。
故障处理:清理马达线圈及碳刷油渍。测量马达线圈阻值是否正常, 然后重新组装好, 用耐油胶密封, 在马达的电源接线处通24V直流, 检查转速是否符合运行条件。正常则继续使用, 否则更换新马达。
(2) 故障现象二
柴油机负荷大幅度波动, 在正常满负荷的情况下突然下降很多, 甚至接近“0”, 手动、自动调整负荷均无效, 几秒钟后负荷自动弹回, 逐渐升至原值;在正常满负荷的情况下突然降至“0”, “逆功率保护动作”, 手动、自动调整负荷均无效, 10s内 (我厂逆功率保护动作时间) , 负荷自动弹回。然后逐渐回升至正常值。
故障原因分析:电磁停车线圈电源回路接触不良, 造成电磁线圈EAR失去工作电压, 铁芯磁力消失, 停车弹簧压力释放, 导致停车杆向下动作, 将控制阀柱塞提升, 使动力活塞下端的油压泄掉, 动力活塞下降, 油门开始关闭, 停止供应燃油, 柴油机负荷下滑。如果此时电磁停车线圈EAR电源瞬间恢复则磁力圈柱塞缩回原位, 停车杆失去压力, 油门打开, 通过调速器的作用很快有将负荷加回正常负荷值。如果油门已关闭, 但此时发电机并未与系统解列, 于是机组转入逆功率运行, 若在10s (我厂逆功率保护动作时间) 内EAR电源能够恢复, 则油门重新打开, 柴油机通过调速器作用, 回升至正常负荷值。
故障处理:外观检查航空插头端子接线, 电气端子XSEX7、8接线 (A、B厂调速器电气控制图如图2.2, 2.3所示) 是否有松动现象, 用万用表测量以上端子是否接触不良, 如果有故障通过重新焊接接线或更换解决。用万用表测量EAR电磁线圈阻值是否正常, 如不正常更换处理。
(3) 故障现象三
柴油机可以升速但不能降速或者相反, 与系统并列运行的时候表现为可以增加有功负荷但不能减少有功负荷或者相反。
故障原因分析:因为调速器可以升速或者增加有功负荷, 所以证明调速马达是正常的, 应该是马达电气控制回路或电气限位微动开关故障导致PLC闭锁了升速或降速, 估计是电气限位微动开关故障或者航空插头、马达升降速回路其中一路开路。
故障处理:用万用表测量两对接线端子“33、35”, “34、36” (A、B厂调速器电气控制图如图2.2, 2.3所示) 。检查电气限位微动开关是否有故障, 检查升降速回路接线是否有虚焊、松脱, 查出具体故障点进行处理。
(4) 故障现象四
柴油机吹车的时候不能成功压燃。
故障原因分析:调速器内部的电气低速限位止动螺钉位置不正确, 导致柴油机吹车的时候转速过低, 不能成功压燃。
故障处理:将电气低速限位止动螺钉往左边调整, 以提高柴油机的低速转速。
(5) 故障现象五
在其它运行参数正常的情况下, 柴油机不能满负荷运行, 手动、自动调整均无效。
故障原因分析:调速器内部的电气高速限位止动螺钉位置不正确, 限制了柴油机的运载能力。
故障处理:将电气高速限位止动螺钉往右边调整, 以提高柴油机空车状态下的高速转速, 进而提高柴油机并列时的运载能力。
(6) 故障现象六
开机前会出现光字牌不在最小位的情况, 中控室加减调速器无效。
故障原因分析:在中控室试验调速器, 结果加减无效, 可能是调速器马达的故障。打开调速器盖子, 发现调速器马达固定螺丝脱落。经分析, 由于我厂机组运行时震动过大, 由于调速器长时间处于震动状态, 将马达的固定螺丝震脱落, 造成调速器失灵。
故障处理:在调速器内找到脱落的马达固定螺丝, 再装上去, 将马达固定。反复摇动马达, 检验马达固定是否牢固, 马达固定螺丝是否滑丝。否则更换马达固定螺丝或将其表面涂上特制胶水后重新用螺丝刀拧紧
摘要：惠阳发电厂为柴油机发电厂, 柴油发电机组在稳定工况下工作时, 柴油机的输出功率与负荷保持平衡, 机组的外部特征表现为转速稳定 (速度稳定是柴油机和发电机工作的必要条件) 。但柴油机在运转过程中, 负荷是变化的, 这时如果不相应的调整柴油机的输出功率 (改变每循环的供油量) , 转速就会升降, 输出功率就会波动。所以柴油机都安装了调速器, 以根据负荷的变化, 迅速自动的调整供油量, 使输出功率与负荷保持平衡, 限制最高转速, 防止飞车, 并保持低速空转的稳定性。
关键词：调速器,负荷,机组
参考文献
[1]广东省柴油机发电专业委员会.大功率柴油机发电厂技术手册.华南理工大学出版社, 1994.
[2]辜承林, 陈乔夫, 熊永前.电机学.华中科技大学出版社, 2000.
调速特性 第4篇
电机的动态过程具有非线性、时间短的特点[1], 使得相关内容的理论与实践教学都具有一定的困难[2]。利用借助以多媒体, 仿真为核心的虚拟实验技术不仅可以得到很难用仪器测量和计算的参数[3], 更加形象地展示电机的启动过程, 还可以弥补传统实验存在的空白, 展示过载和堵转等极端状态时电机性能的变化[4]。此外随着高等教育规模的迅速扩大, 原有教学设备无法满足教学需要[5], 使得相关实验教学的虚拟仿真已经成为国内外研究的热点[6]。Matlab仿真工具自问世以来凭借其强大的数值计算能力, 迅速成为各个学科和工程技术领域主要的计算机仿真平台, 能有效应用于电机与拖动系统等工程技术问题的仿真[7]。本文在Matlab/Simulink仿真平台的基础上, 建立三相异步电机的仿真模型, 可以形象直观地得到异步电机的调速特性和启动过程。
1 建立模型
三相异步电机的仿真在Simulink中的Simpowersystem模块进行。三相异步电机的仿真模型如图1。用三相交流电源给三相异步电机供电, 双击电机模块设置电机参数, 进行仿真。示波器Scope显示的电机参数分别为电磁转矩Te, 电机转速n, 定子A相电流, 转子A相电流。异步电机设定额定视在功率为3730VA, 线电压有效值380V, 频率50Hz。
2 调速特性
由电机学知识可知, 异步电机的调速特性表达式为
式中, f1为电机的定子供电频率;np为电机极对数;s为转差率。
因此, 调节异步电机的转速, 主要通过三类方法实现:1改变电机的极对数np;2改变转差率s;3改变供电频率f1。
现在常见的调速方法有:调压调速、变频调速、串极调速和变极调速等。
建立如图1所示的仿真模型, 将两个参数不同的三相电源分别由两个三相断路器接到异步电机定子绕组上。在电机启动运行后, 在0.5s时改变两个三相断路器的通断改变供电电源, 达到改变电压或频率的目的。
2.1 调压调速
由于调压调速过程中电机内部旋转磁场转速不变, 因此电机转速变化范围很小, 而且电机通常额定工作电压一定, 因此三相异步电机调压调速范围会受到限制[8]。
将220V的三相电压在0.5s时变为140V, 仿真结果如图2所示, 0.5s时转速减小。
2.2 变频调速
改变三相异步电机的电源频率, 能改变旋转磁场的同步转速, 从而达到调速的目的[9]。变频调速分为基频向下调速和基频向上调速。
基频向上调速又称弱磁升速。将50Hz的三相电压在0.5s时变为60Hz, 仿真结果如图3所示。0.5s时转速升高。
基频向下调速是恒转矩调速方式。
将50Hz, 220V三相电压在0.5s变为40Hz, 176V。仿真结果如图4所示。
变频调速有调速范围大, 转速稳定性好, 效率高, 无级调速的特点。具有很好的调速性能[10]。
3 异步电机启动过程仿真
电机串电阻启动是在启动过程中在电机定子绕组上串联电阻, 达到降低启动电流的目的。在启动后切除串联电阻, 减小电机消耗功率。
图5是定值电阻和断路器并联构成的子系统, 串联在定子绕组上, 达到在电机启动过程中定时切除电阻的目的。断路器通断时刻由输入阶跃函数变为1的时间决定。本实验设定时间为0.1s时, 断路器闭合, 将电阻短路切除。异步电机串电阻启动仿真模型如图6。直接启动仿真结果如图7所示。
串电阻启动仿真结果如图8所示, 可以看出串电阻启动与直接启动相比转矩减小, 定子电流减小, 启动过程变慢。在0.1s切除串电阻时, 电磁转矩和定子、转子电流都有明显增大, 转速上升速度变快。
4 结束语
本文对异步电机的调速特性和启动特性进行了仿真, 直观展示了电机的工作过程的运动变化规律, 仿真结果与理论保持了一致。对电机的计算机仿真弥补了实际实验设备复杂, 占用空间大, 电机动态过程难以测量等缺陷, 可以很好地辅助理论学习。并且Matlab对各项实验参数可以方便地调整并观察相应物理量的动态变化, 指导实际系统的设计。Matlab/Simulink的仿真结果对教学和科研有很高的参考价值, 可广泛应用于各领域。
摘要：在分析异步电机运行理论的基础上, 利用Matlab/Simulink平台, 建立三相异步电机的仿真模型。通过分别改变电压和频率后对比电机特性的变化, 明确了异步电机的调频和调压特性。通过对比异步电机串电阻启动和直接启动的仿真结果, 比较了不同启动方法的特点及电机启动参数的变化。本文对三相异步电机调速特性和启动特性的仿真, 有效印证了电机理论。
关键词：Simulink,异步电机,调速,启动
参考文献
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调速特性 第5篇
电力系统小扰动的研究中,通常忽略调速系统的影响[1,2]; 或仅考虑调速系 统阻尼特 性的影响,未考虑同 步特性的 影响[3];或仅考虑其正负,未考虑其大小[4]。
本文针对上述问题,作了以下研究:在包含原动机调速系统的Phillips-Heffron模型上,结合复转 矩系数法[3]和原动机 调速系统传递函数的频率特性,从机理上分析并验证了原动机调速系统对电力系 统同步特 性的影响,给出该系 数的计算 方法,并得出了相应的结论。
1 原动机调速系统对同步特性影响机理分析
本文的分析建立在包 含原动机 调速系统 的简化PhillipsHeffron模型上,如图1所示。
图1中,Δδ和 Δω 分别为功角和转速增量;ΔTm和 ΔTe分别为机械和电磁转矩增量;D为阻尼系数;ω0为系统基准角频率;M为机组惯性时间常数;s为拉普拉斯算子。由图1可得:
将s=jωd[5](ωd为系统振荡角频率)代入到式(1)中的第二式,可得:
当原动机 调速系统 采用频率 调节模式 时,由图1可得 ΔTm:
将s=jωd代入式(3)
将式 (2)代入式 (4),可得:
为便于分析和比较,令:
因而,式 (5)可表示成:
式中:KmdΔω是与 Δω 同相的转矩变 化分量,是原动机 调速系统提供的附加阻尼转矩;Kmd为附加阻尼转矩系数,它表明原动机阻碍系统频率变化的能力,它与文献[4]的计算方法异曲同工。KmsΔδ是与 Δδ同相的转矩变化分量,是原动机调速系统提供的附加同步转矩;Kms为附加同步转矩系数。
基于复转矩系数法,图1的电磁转 矩变化量 ΔTe可分解为[6]:
式中:KedΔω是与 Δω 同相的转矩变化分量,称为阻尼转矩变化分量,Ked为阻尼转矩系数。KesΔδ是与 Δδ同相的转矩变化分量,称为同步转矩系数。
将式(7)和式(8)代入通用形式[7],可得:
由此可得,系统的同步转矩系数Ks为:
系统的无阻尼的自然频率ωn为:
由此可见,当Kms增大时,KS和ωn增大,ζ减小;反之,正好相反。Kms>0,调速系统提供正的同步转矩;Kms<0,调速系统提供负的同步转矩。
2 调速系统对同步特性影响频域分析
2.1 原动机调速系统模型及其传递函数
本文以水轮机调速系统为例分析原动机调速系统对系统同步特性的影响。包含PID控制器的水轮机调速系统模型[8]如图2所示。
式中,KP、KI、KD分别为比例、积分、微分调节参数,TIV为微分环节时间常数、Ty为接力器响应时间常数、Tw为水击时 间常数、bp为永态转差 系数,其取值直 接影响调 差率ep的大小,一般bp≈ep;ey、eqh、e为水轮机的传递系数,可依据水轮机类型及参数进行选取。
2.2 调速系统参数对同步特性影响频域分析
依据2.1介绍的方法,当KP=1.163,KI=0.105,KD=0, Ty1=0.1s,ey=1,eqh=0.5,e=1,其他参数可依据研究需要进行选取,绘制出随振荡频率f(f=2πωd)及不同水轮机调速系统参数(Tw、bp及Ty)变化曲线,如图3、图4及图5所示。
由以上分析可知,Kms的大小和正负不仅取决于振荡频率的大小,而且也取决于Tw、bp及Ty,特别是Tw及Ty,因而选取适当的参数有利于提高系统的同步能力。此外,随着振荡频率的加大, Kms由正变负,也即其向系统提供的同步转矩也由正变负。
3 简单模型下仿真计算及时域分析
3.1 模型参数
计算用单机无穷大系统如图6所示。
发电机采用基于简化Park方程式的6绕组模型,水轮机调速系统采用PSD-BPA程序中调速器和水轮机组合在一起的GH卡,其数学模型和参数含义参见文献[9]。
3.2 小干扰计算及时域仿真
本文通过切除发电机有功功率200MW(0.1Pu)给系统施加小扰动,通过改变机组的转动惯量M改变系统的振荡频率。 因篇幅所限,本文仅以Tw变化为例,分析验证原动机调速系统对系统同步特性的影响。
表1是在f=0.14Hz,bp=0.05,Ty=0.3s,Tw取不同值时,得出的同步特性计算结果;图7是其时域仿真结果发电机功角响应曲线。
由上面的图表分析可知:当Kms>0时,原动机调速系统向系统提供正的同步转矩,有调速系统的同步特性优于无调速系统的同步特性;当Kms<0时,水轮机调速系统向系统提供负的同步转矩,有调速系统 的同步特 性劣于无 调速系统 的同步特 性。且随着Kms的增大/减小,系统的无阻尼自然频率ωn也相应地增大/减小,原动机调速系统向系统提供的同步转矩也增大/减小,系统的同步特性也相应地增强/减弱,系统的振 荡幅值也增大/减小。
此外,随着Tw、bp及Ty的变化,其对应的Kms的变化也符合文章中2.2的分析。
4 结 语
原动机调速系统对系统同步特性的影响,主要取决于其附加同步转矩系数Kms:当Kms为正时,原动机调速系统向系统提供正的同步转矩;当其为负时,向系统提供负的同步转矩,且随着其值的增大/减小,其所提供的同步转矩也增大/减小,对应系统的振荡幅值也增大/减小。
原动机调速系统对系统的同步特性的影响,除了与其自身的参数Tw、bp及Ty有关外,还与系统的振荡频率f有关;原动机调速系统对系统的低频振荡,特别超低频振荡影响较大;对较高频率的振荡影响较小。
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调速特性 第6篇
与交流电动机相比, 直流电动机有良好的调速性能, 这也是直流电动机的一个显著优点。直流电动机比较容易满足调速宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等电动机调速的基本要求。电动机动转速可以由下面动三种方法调节:
1.1 电枢回路串电阻调速
在保持电源电压和励磁电压不变的情况下, 在电枢回路中串入不同的电阻, 可使电动机运行不同的转速, 达到调速的目的。电枢回路串电阻调速多用于对调速性能要求不高, 而且是不经常调速的设备上, 如起重机、运输及牵引机械等。
1.2 调压调速
在保持励磁电压不变的情况下, 调节电源电压 (通常是降低电源电压) , 使电动机稳定运行在不同的转速上, 称为调压调速。调压调速时, 加在电枢上的电压一般不超过额定电压, 所以, 调压调速只能在基速 (额定转速) 以下调速。调压调速多用于对调速性能要求较高的设备上, 如造纸机、轧钢机、龙门刨床等。
1.3 弱磁调速
弱磁调速是保持电枢电压不变, 减小电动机励磁电流, 使主磁通减弱, 从而电动机转速升高。因此, 弱磁调速只能在基速以上调速。弱磁调速是在电流较小的励磁回路中进行调节, 调速时的能量损耗小, 而且可以连续调节励磁线圈电流值, 达到无级调速。
2 S7-200可编程控制器的基本功能和使用方法
(1) 可编程控制器简称PLC, 是一种以微处理器为基础, 综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置, 具有编程容易、体积小、使用灵活方便、抗干扰能力强、可靠性高等一系列优点, 是专门为工业控制应用而设计的一种通用控制器, 近年来在工业生产的许多领域, 如冶金、机械、电力、石油、煤炭、化工、轻纺、交通、食品、环保、轻工、建材等工业部门得到了广泛的应用, 已经成为工业自动化的三大支柱之一。
(2) PLC在不断地发展, 其性能在不断地完善、功能在不断地增强。其主要功能有:开关量逻辑控制、模拟量控制、闭环过程控制、定时控制、计数控制、顺序 (步进) 控制、数据处理、通信和联网等。其中, 开关量逻辑控制是PLC的最基本的功能。PLC具备了以上功能之后, 便可以实现各种简单和复杂的逻辑控制, 在工业生产过程中, 完成对连续量的控制, 也可以实现定时或延时的控制等目标和要求, 最终可提高控制交流电动机的自动化水平。
(3) PLC的使用方法主要体现在四个方面, 分别是:外部输入设备的选用与PLC输入继电器的使用;PLC的"串行"运行方式与控制程序的编制;PLC的编程元件;顺序控制多步同输出的编程方法。PLC的外部设备主要是指控制系统中的输入输出设备, 其中输入设备是对系统发出各种控制信号的主令电器, 在编写控制程序时必须注意外部输入设备使用的是常开还是常闭触点, 并以此为基础进行程序编制, 否则易出现控制错误。由于PLC采用"串行"工作方式, 所以即使是同一元件, 在梯形图中所处的位置不同, 其工作状态也会有所不同, 因此, 在利用梯形图进行控制程序编制时, 应对控制任务进行充分分析, 合理安排各编程元件的位置, 才能够更为准确地实现控制。PLC的各种功能主要是通过运行控制程序来实现, 所以在编制程序时, 需要合理使用PLC提供的编程元件 (即软元件) 。
3 IGBT功率管选型及其驱动电路设计
IGBT是一种电压控制型器件, 与电流控制型器件 (如GTR) 比较, IGBT具有驱动功率小、开关速度快的特点。近年来IGBT在各种技术中的应用得到了迅猛发展, 在众多的产品中, 我们应根据不同的工况选择不同的IGBT管。IGBT有专用的驱动芯片, 如富士公司的EXB851及EXB841, 三菱公司的M57959L等, 这些驱动电路具有开关频率高、驱动功率大、过流保护等优点, 但都必须加额外的驱动电源, 并且价格高, 使设备成本大大提高。出于成本的问题以及锻炼自身动手能力的目的, 本次课题研究的过程中我们自行设计了IGBT的驱动电路。
3.1 IGBT管的主要参数及其选取
在选用IGBT功率管的时候, 应综合考虑静态特性、动态特性、最大集射极间电压UCES、最大集电极电流和最大集电极功耗等参数, 折衷选择。IGBT的选择主要是指其电流额定值的确定, 本次课题研究在选择IGBT管之前, 事先通过试验测取了直流原动机在启动、加速、并网等各时刻励磁线圈中流过的电流大小, 想要测量励磁线圈中的直流电流大小, 只需在直流原动机的励磁回路串入一电流表即可。
测量并励线圈中的电流的试验, 首先断开原动机实物接线中的B1、B2端子连接线, 在其间穿入电流表, 施加直流原动机的启动电压为50V, 待原动机启动起来之后, 再逐渐增大端电压, 每隔50 V记录一次励磁线圈中的电流值, 直到加压至端电压为220 V, 然后调节原动机, 使发电机侧满足并网的三个条件, 频率相等、电压相等、相位差为零, 然后并网, 再给发电机增加负荷, 分别记录各个时刻原动机励磁线圈中的电流大小。
3.2 IGBT驱动电路的设计
3.2.1 驱动电路原理及器件选择
本次课题研究所采用的为电压型IGBT驱动电路, 原理图如图1所示。
来自信号发声器或者S7-200的PWM发生模块的驱动信号加与光耦原边的管脚2即图中A点之上, 经过光耦的隔离, 在光耦的副边或者将管脚6、7跟管脚5连通, 或者跟8连通, 从而使得经电阻R2与管脚6、7相连的B端跟随触发信号的高/低电平而出现一个+15V/-12V的IGBT驱动信号。
在器件选择方面, 光耦选用了东芝公司的TLP250;根据光耦标准电流为IF。TYPE=8 m A的要求, PLC输出模块电压为正负10V, 则串联电阻为, 选用R1=1kΩ, 则, 即流过光耦原边的最大电流为10 m A, 考虑占空比, 则平均电流小于10 m A, 满足要求;对于R2, 按设计标准可选用R2=20Ω。在全桥整流的输出端, 用一个4 700μF来对整流所得电压进行平波处理;对于稳压二极管, 分别选用7815和7812两种稳压元件来对整流输出的电压进行稳压, 分别输出稳定15V和12 V的电压, 为驱动电路提供电源。
3.2.2 驱动电路特性测试
为了测试驱动电路的输入输出特性, 我们通过YB1631型功率函数发生器输出一脉宽可调的触发脉冲, 加在驱动电路的原边上, 利用示波器记录其输入输出端的波形。
对比驱动电路输入输出的信号, 可知, 通过驱动电路的放大, 驱动信号基本满足了驱动IGBT功率管的要求, 故可以采用这一驱动电路来驱动本课题研究所使用的IGBT管。
(1) 关于栅极驱动电压IGBT开通时, 驱动电路提供的正向栅极电压的值为+15 V, 足以使IGBT完全饱和。在栅极上施加的反向偏压为-12 V, 保证IGBT在集电极—发射极电压上出现dv/dt噪声时仍保持关断。
(2) 综合考虑IGBT的动态特性、器件工作的耐固性和栅极噪声, 选择栅极串联电阻R2=20。
(3) 波形陡度较陡, 能很好的开通和关断IGBT管。
4 基于S7-200的原动机IGBT调速系统运行试验与特性测试
根据调速原理, 将IGBT功率管串联到直流原动机的励磁线圈中, 在可编程控制器PLC的高速输出模块引出控制信号接至IGBT驱动电路的输入端, 开机做试验, 测试直流电动机的控制特性。
根据同步发电机的原理, 发电机机端电压频率正比与发电机的转速, 因而发电机的频率也与跟发电机同轴的直流原动机的转速成正比关系变化, 也就是说, 同步发电机机端电压的频率, 可以反应出直流原动机的转速变化, 依据这一原理可以来判断直流原动机转速变化情况。
试验过程中, 在励磁线圈串入IGBT调速系统的同时, 串入了直流电流表, 测量在IGBT控制下励磁线圈中流过的平均电流。因为原动机-电动机发电机组还没有装设测速装置, 为了判断调速系统的调速特性, 可以给发电机励磁线圈加一定的励磁电流使得发电机端发出电压, 通过测量发电机端的相电压UAN的波形, 计算其频率从而反映原动机转速的变化。同时, 还记录了IGBT门极驱动信号的波形图, 以方便分析调速系统的调速特性。
4.1 增速试验
(1) 将IGBT调速系统以及电流表接入励磁回路中, 并完成PLC驱动信号、示波器等的接线。
(2) 将电脑上的PWM程序下载到PLC模块中, 并运行该程序, 此时为初始时刻, IGBT管在驱动信号作用下完全导通, 占空比δ=100%。
(3) 合闸启动原动机, 将原动机端电压升至UDC=50 V (在试验过程中不再改变电压调节旋钮位置) , 记录原动机励磁电流值。
(4) 调节发电机励磁电压, 增大发电机励磁电流, 使得在发电机机端电压UAN=25 V, 用示波器记录IGBT门极驱动信号以及发电机机端相对中性点的波形, 如图2。
(5) 根据UAN的波形, 可以很直观的看出其周期为约为35 ms, 则其频率:
(6) 轻触“增速”按钮, 减小占空比δ分别为83%, 80%, 75%, 60%, 45%, 用示波器记录各时刻GBT门极驱动信号以及发电机机端相对中性点的波形。重复步骤5计算各频率分别为:51.3Hz, 55.6Hz, 66.7Hz, 58.8Hz, 37.0Hz;罗列如表1所示。
4.2 减速试验
(1) 试验接线、PLC的运行与增速试验相同。
(2) 减速试验中, 在启动原动机之前, 先将驱动信号的占空比从100%减小为75%, 然后再启动原动机;调节原动机端电压为120V, 记录原动机励磁电流值。
(3) 调节发电机励磁电压, 增大发电机励磁电流, 使得在发电机机端电压UAN=25 V, 用示波器记录IGBT门极驱动信号以及发电机机端相对中性点的波形, 见图3。
(4) 根据UAN的波形, 可知其周期为15 ms, 则其频率:
(5) 轻触“减速”按钮, 增大占空比δ分别为85%, 100%, 用示波器记录各时刻GBT门极驱动信号以及发电机机端相对中性点的波形。重复步骤4计算各频率分别为:58.9 Hz, 40 Hz;罗列如表2所示。
5 结语
“基于S7-200的原动机IGBT调速系统的设计、试验和特性测试”这一课题的研究, 重在“调速”。因此, 首先必须在直流原动机调速原理上有所掌握, 要了解直流原动机的调速原理以及各种调速方法的优缺点, 掌握现用的调压调速系统的使用方法。S7-200系列可编程控制器, 是综合了计算机技术、自动控制技术、通信技术和传统的继电器控制技术而发展起来的新型工业控制装置, 具有编程容易、体积小、可靠性高等一系列优点, 本次课题研究的目的是通过利用PLC对IGBT通断的控制, 来改变直流原动机励磁电流实现弱磁调速, IGBT是整个调速系统的关键。将基于S7-200的IGBT调速系统接入直流原动机励磁回路中, 在维持原动机机端电机为50 V不变的情况下做了增速试验, 在维持原动机机端电机为120 V不变的情况下做了减速试验, 分析结果表明, 在基速以上这一调速系统具有很好的调速特性, 调速效果明显, 调速平滑, 同时也在试验中体现出了弱磁调速机械特性软这一特点。
摘要：基于S7-200的IGBT原动机调速系统的设计和试验, 在实验室原有直流电动机调压调速系统的基础上, 对其与弱磁调速结合起来使用进一步研究, 在基速以下采用调压调速, 在基速以上采用弱磁调速, 从而在极宽的范围内实现平滑的无级调速。文章将从直流电动机调速的基本原理和方法一步步地深入探讨IGBT原动机调速系统, 将高频大功率的IGBT管直接与原动机的励磁线圈串联, 通过控制IGBT管的触发脉冲宽度来控制流过原动机励磁线圈的平均电流, 实现直流原动机的弱磁调速。这在一定程度上增大了直流原动机平滑无极调速的范围, 可以根据发电机负荷大小更好地调节原动机的出力。
关键词：可编程控制器,驱动电路,弱磁调速,IGBT
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