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大功率同步电机直接转矩控制系统

时间:2017-11-21 15:50:00   来源:本网   添加人:admin

  随着电力电子技术和直接转矩控制(DirectTorqueControl,简称DTC)技术的发展,使得在低转速大功率传动领域中,DTC同步电机变频调速系统成为一种更先进的传动方式。它的过载能力强,效率高,控制性能达到或超过直流调速水平。ABB公司生产的ACS6000变频器系统已成功用于煤矿主井提升机上,其驱动电机为4000kW同步电机,采用DTC方案,输出额定频率为7.25Hz,其调速性能及节能效果远大于AC/AC变频器驱动的同步电机传动系统。国内学者对DTC的研究主要集中在异步电机和永磁同步电机的控制上,而很少涉及大型同步电机DTC的研究。本文以大型煤矿主井提升机变频调速系统,即变频器加同步电机为基础,对大型同步电机DTC系统进行了剖析和实际测试。

  2同步电机众所周知,同步电机的效率、功率因数都高于异步电机,而且容量大,一般500kW以上的交流电机研究方向为电力电子技术和电力传动控制。

  22均为同步电机,在大容量传动领域,同步电机具有无可比拟的优越性。ACS6000变频器已成功用于煤矿主井提升机同步电机调速控制上。所驱动的主井提升同步电机参数:凸极数量2P=16,额定转矩Tn= 700kNm,额定输出功率PN=4000kW,额定速度nN= 54.7r/min,额定定子电压Un=3150V,额定频率fN=7.27Hz,额定定子电流In=768A,额定输出效率n= 95.5%,额定励磁电压Un=226V/DC;额定励磁电流同步电机变频调速系统由变频器加同步电机加位置检测器组成。它采用直流自控式,50Hz交流整流成直流,然后由逆变器转换成频率可调的交流供给同步电机。同步电机的DTC需要进行坐标变换,示出其定子、转子坐标系。d,q坐标系是固定在转子上'的旋转坐标系,其中转子励磁磁链的轴向为d的正方向,d轴与A相绕组的夹角为§。x,y坐标系为固定在定子上的s旋转坐标,定子励磁磁链的方向为x轴的正方向。x轴与d轴的夹角e为转矩角,X轴超前d轴时e为正,在忽略定子电阻的情况下,e即为同步电机的功角。当电机稳态运行时,定子、转子励磁磁链都以同步速旋转。因此,在恒定负载下,e为恒定值。当电机瞬态运行时,e则因定子、转子旋转速度的不同而不断改变。

  在转子d,q坐标系下,同步电机的磁链、电压、转矩表达式为:Ud,Uq定子绕组d,q轴的电压Ld,Lq定子绕组d,q轴的电感U定子端电压定子磁链R定子绕组电阻Pn电机极对数转子磁链在定子侧的耦合磁链T电磁转矩Q角频率由同步电机相量图可知,sine丨丨,ose丨丨,将其代入式(3),则:若屯的幅值伞恒定,T正比于定子电流的y轴分量,屯在x,y轴上的变换为4x=Lsix+4cos9dy=Lsiy-dfsine由于x轴在ds dfsine将iy=:sine代入转矩算式:由式(5)可知,同步电机的T与功角成近似线性关系,它忽略了凸极结构产生的磁阻转矩。三相电压型逆变器采用全控型功率器件IGCT. 3同步电机的DTC系统DTC是继矢量控制以后又一次研究出的先进控制方法。它是在定子坐标系下分析同步电机的数学模型,以控制电机的磁链和转矩;它采用了空间矢量的概念分析了三相同步电机的控制参变量,直接对转矩和磁链实行控制,已用于控制主井提升同步电机的调速中。示出同步电机DTC系统框图。

  队,叫,叫三相同步电压3.1外部测量信号的输入DTC系统需要输入的外部测量信号有逆变器直流侧电压Udc、定子两相电流ia,ib和转子位置信号e.ic可由ia+ib+ic=0算出,e可由装在转子上的光电编码器获得。

  3.2磁链的估算轴上的电流分量为ix=(3/2)ia,iy=(V3/2((ia+2ib);Ux,Uy的计算可根据测量的及逆变器的开关状态Sa,Sb,Sc换算得出。于是,可算出定子磁链值Ids=Vdx2+dy2,ds与给定磁链d进行比较,经过磁链滞环比较器,可得磁链控制信号Ad. 3.3转矩的估算在DTC中,需要以T作为反馈量,但直接测量T困难,一般采用T=(3/2)Pn(dxiy-dyix)的计算方法。

  计算得到的T值与转矩给定值T比较,之后的T偏差经过转矩滞环比较器,得到转矩控制信号AT.通过计算得出dx,dy,即可算出定子所处的扇区S,其计算方法略。

  3.4电压矢量开关表计算产生AdAT,Sn信号后,就可查电压矢量开关表,选择正确的电压空间矢量,即逆变器的开关状态,逆变器的开关状态转换成6相PWM脉冲,控制逆变器IGCT的通断。

  3.5速度调节器由安装在转子轴上的光电编码器检测到e便可算得转子的实际转速n即n=(30/n)de/dt.将速度给定n与n相比较,得到速度偏差An,通过PI调节器,输出作为T,则n=n-n,T=Kp如(t)+з。6励磁电流的调节由同步电机原理可知,调节f可控制同步电机的功率因数(PF)。若设定同步电机的功率因数cos 4=1,要调节PF,则必须先估算出实际的PF;电磁功率Pm=3UIcos屯电磁转率Tm=Pm/压u、相电流i,可估算出电机的实际PF.较后,两者的误差经PF调节器后产生同步电机的If给定信号码If,与If的反馈值If比较后,再经过If调节器,输出励磁回路的触发脉冲移相控制信号,以调节同步电机If的大小。

  4<1,且为感性时,说明电机的无功分量大,需要增大If,控制触发脉冲前移。反之,当电机的cos4<1,且为容性时,需要减小f控制触发脉冲后移。经过If的动态调整,使电机处于正常的励磁状态,PF可达到1. 4系统测试针对ACS6000变频器带同步电机调速进行了系统测试分析,同步电机参数如前所述。同步电机采用三相星形接法,DTC的控制周期为25ys,即通过同步电机模型每间隔25ys精确算出电机的磁链和转矩。示出同步电机稳态运行时测得的线电压и。和线电流i.实验波形,给定频率为=15Hz,电流波形基本接近正弦波,谐波含量较小,而u.的波形中出现了很多换相尖峰脉冲,这是因为没有使用动态滤波器引起的,所以若使用滤波器,则可基本消除。

  逆变器输出¥1.和i.实验波形对闭环控制回路,由于控制周期非常短,使得DTC比其他控制系统的动态响应更快。示出同步电机在70%稳态运行时的T,T及A相电流ia和C相电流ic的响应曲线。其中,T为100%的阶跃信号,实际转矩从0增加到100%转矩的响应时间为3ms,而采用矢量控制需要1040ms,SPWM标量控制的响应时间大于150ms,这说明同步电机的DTC n和实际转速n的响应曲线。其响应时间为40ms,无论是增加n,还是减小n,都有一定的超调。b示出n=90r/min,Ai=0.5r/min时n和n的响应曲线。

  其响应时间为100ms,响应时间变慢,但基本无超调。另外,可将同步电机的稳态速度误差控制在0.1%~0.5%,动态速度误差控制在每秒0.5%之内。

  5结论米用ACS6000驱动同步电机的提升机父流调速系统,其稳态调速精度小于0.05%,空载定位精度大于等于10mm,重载定位精度小于等于20mm,完全可以满足矿井提升原煤的工艺要求。运行实践证明,该系统性能良好,提升效率明显高于同类型设备,能耗大幅度下降。但系统的技术难度很高,工程设计与调试技术等方面均达到了国际先进水平。本文为较好地消化吸收大型主井提升机传动装备的变频调速技术,也为我国新建矿井的电控提升系统以及系统的国产化提供了理论指导和技术支持。