交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在大型壓力機(jī)中的運(yùn)用

陳春童，唐 堅(jiān)

（江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引言

鍛壓生產(chǎn)有著悠久的歷史。鍛壓設(shè)備從簡(jiǎn)易的平鍛機(jī)和蒸汽錘，到?jīng)_壓用的液壓機(jī)，再到相當(dāng)規(guī)模的機(jī)械壓力機(jī)，發(fā)展到今天，機(jī)械壓力機(jī)應(yīng)用最為廣泛。隨著制造業(yè)向生產(chǎn)規(guī)?；a(chǎn)品個(gè)性化的方向發(fā)展，生產(chǎn)批量相對(duì)變小，產(chǎn)品型號(hào)變化加快，多種型號(hào)共線生產(chǎn)、覆蓋件大型化和一體化的趨勢(shì)日益明顯等[1]，需要壓力機(jī)不僅能夠高速度、高精度、大負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)，而且具有更大的柔性，能方便、迅速地改變輸出運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這就要求壓力機(jī)的電機(jī)速度可調(diào)。因此直流調(diào)速系統(tǒng)、交流變頻調(diào)速系統(tǒng)以及伺服系統(tǒng)在機(jī)械壓力機(jī)中獲得了應(yīng)用。

伺服電機(jī)因?yàn)樵靸r(jià)太高，大功率規(guī)格少等，所以其在機(jī)械壓力機(jī)中應(yīng)用很少。直流調(diào)速電機(jī)曾經(jīng)在機(jī)械壓力機(jī)中獲得過(guò)應(yīng)用，但是由于它整流裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜而龐大、維護(hù)保養(yǎng)工作量大和難以向大容量、高轉(zhuǎn)速及高電壓方向發(fā)展等缺點(diǎn)，現(xiàn)在應(yīng)用很少。隨著電子電力技術(shù)和控制理論的高速發(fā)展，阻礙交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的因素相繼被克服[2]。交流變頻調(diào)速電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制操作方便以及價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械壓力機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用。本文以現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的JD36-630型號(hào)的壓力機(jī)作為應(yīng)用背景，對(duì)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在壓力機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)原理

1.1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

交流變頻調(diào)速技術(shù)以其節(jié)能降耗、可靠性高、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)成為目前電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的主要發(fā)展趨勢(shì)[2，3]。變頻器是交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置[4]。本文所述交流變頻調(diào)速系統(tǒng)采用使用廣泛的交-直-交型變頻器，首先將交流電變?yōu)橹绷?，然后用電氣元件?duì)直流電進(jìn)行開(kāi)關(guān)將其變?yōu)轭l率符合要求的交流電，然后將該交流電提供給交流變頻電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的。根據(jù)電機(jī)學(xué)可知，交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：n——交流電機(jī)同步轉(zhuǎn)速；

f——定子供電頻率；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——極對(duì)數(shù)。

從上式可以看出，交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速將隨頻率正比變化，若均勻地改變定子供電頻率f則可以平滑地改變交流電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。當(dāng)供電頻率f在0～50Hz范圍內(nèi)變化時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。交流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 變頻電機(jī)

圖1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

普通電機(jī)是按恒頻恒壓設(shè)計(jì)的，不可能完全適應(yīng)變頻調(diào)速的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)中由變頻電源對(duì)電機(jī)進(jìn)行供電，這與傳統(tǒng)的工頻正弦波供電方式有很大區(qū)別：一方面變頻電源供電頻率是從低頻到高頻的寬頻范圍；另一方面變頻電源的電源波形是非正弦的。由于上述原因，普通電機(jī)用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中會(huì)導(dǎo)致一系列問(wèn)題[5]：①損耗增加，效率降低。由于變頻電源的輸出中含有大量的高次諧波，這些諧波會(huì)引起電機(jī)定子產(chǎn)生相應(yīng)的銅損耗和鐵損耗，降低電機(jī)運(yùn)行效率；同時(shí)高次諧波的存在還會(huì)產(chǎn)生電磁振動(dòng)和噪聲。②低速時(shí)出現(xiàn)低頻脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運(yùn)行。與工頻正弦供電相比，變頻供電會(huì)產(chǎn)生一定程度的低次諧波，從而導(dǎo)致低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩，影響電機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。③低速運(yùn)行時(shí)散熱效果降低。當(dāng)普通電機(jī)在低頻率低速運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)速很低，電機(jī)所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風(fēng)量大大減小，散熱效果大大降低。④出現(xiàn)浪涌電壓，損害電機(jī)絕緣；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，外加電壓經(jīng)常與變頻器中元器件換流時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓相迭加，有時(shí)候浪涌電壓較高，會(huì)致使線圈受到反復(fù)沖擊，絕緣加速老化。

綜上所述，普通電機(jī)運(yùn)用到交流變頻系統(tǒng)中會(huì)面臨很多問(wèn)題，于是變頻電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。變頻電機(jī)是運(yùn)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的專(zhuān)用電機(jī)。變頻電機(jī)采用電磁設(shè)計(jì)，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值，降低損耗；采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，即主電機(jī)散熱風(fēng)扇運(yùn)用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提高散熱效果；并且能適應(yīng)不同工況條件下的頻繁變速；同時(shí)它可以利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值也不超過(guò)額定電流，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求，節(jié)省了設(shè)備維護(hù)費(fèi)用，因此本文采用變頻電機(jī)搭建變頻調(diào)速系統(tǒng)。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器控制方式

變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的控制方式?jīng)Q定了調(diào)速效果，常見(jiàn)的變頻器控制方式有V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制等[6]。

2.1 V/f控制

V/f控制就是保證輸出電壓與頻率成正比的控制，是基于在改變電源頻率進(jìn)行調(diào)速的同時(shí)，又要保證電機(jī)磁通不變的思想而提出來(lái)的，可以使得電機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生[6]。V/f控制變頻器結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，但是這種變頻器采用開(kāi)環(huán)控制方式，不能得到較高的控制性能，而且低頻時(shí)，必須進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

2.2 轉(zhuǎn)差頻率控制

轉(zhuǎn)差頻率控制是一種直接控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩的控制方式，它在V/f控制的基礎(chǔ)上按照交流電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的電源頻率，根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來(lái)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以得到對(duì)應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩。使用轉(zhuǎn)差頻率控制方式的變頻器具有良好的穩(wěn)定性，并對(duì)加減速和負(fù)載變化有良好的響應(yīng)特性[7]。轉(zhuǎn)差頻率控制是一種閉環(huán)控制方式，在控制系統(tǒng)中需要安裝速度傳感器和電流反饋設(shè)備，對(duì)頻率和電流進(jìn)行控制，因此應(yīng)用范圍收到了限制。

2.3 矢量控制

矢量控制也叫磁場(chǎng)定向控制，其基本思想是在三相交流電機(jī)上設(shè)法模擬直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制，在磁場(chǎng)定向坐標(biāo)上，將電流矢量分解成產(chǎn)生磁通的勵(lì)磁電流分量和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩電流分量，并使得兩分量互相垂直，然后分別進(jìn)行調(diào)節(jié)。即先將三相電流Ia、Ib和Ic由三相靜止坐標(biāo)系變換為兩相垂直靜止坐標(biāo)系下的電流矢量Iα和Iβ，變換矩陣如式（2）所示。

然后，將兩相靜止坐標(biāo)系下的電流分量轉(zhuǎn)換到同步直角坐標(biāo)系下的電流分量Id和Iq，變換矩陣如式（3）所示，Id相當(dāng)于直流電機(jī)的勵(lì)磁電流，Iq相當(dāng)于正比于轉(zhuǎn)矩的電樞電流。該控制方式通過(guò)坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁場(chǎng)的解耦控制，分別對(duì)轉(zhuǎn)速和電磁兩個(gè)分量進(jìn)行單獨(dú)控制，該方法的提出具有劃時(shí)代的意義[8]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于系統(tǒng)性能受到電機(jī)參數(shù)的影響，且矢量旋轉(zhuǎn)變換比較復(fù)雜，使得控制效果難以達(dá)到理想狀態(tài)。

式中：φ——磁場(chǎng)定向角。

2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是1 9 8 5年由德國(guó)學(xué)者M(jìn).D epenbrock首次提出。該控制方法采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標(biāo)系下計(jì)算并控制交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場(chǎng)定向，借助于離散的兩點(diǎn)式控制產(chǎn)生脈寬信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動(dòng)態(tài)性能。直接轉(zhuǎn)矩控制不同于矢量控制，它擯棄了解耦的思想，取消了旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，簡(jiǎn)單通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電壓和電流，通過(guò)瞬時(shí)空間矢量理論計(jì)算電機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩[9]。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制具有動(dòng)態(tài)反應(yīng)迅速、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

綜上所述，本文中選擇直接轉(zhuǎn)矩控制作為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中變頻器的控制方式，具體控制策略如圖2所示。

圖2 直接轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖中：n0——給定電機(jī)轉(zhuǎn)速；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋；

Te0——電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩給定值；

Te——電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩估計(jì)值；

ψ0——電機(jī)磁鏈空間矢量給定值；

ψ——電機(jī)磁鏈空間矢量估計(jì)值；

θ——電機(jī)定子磁鏈空間矢量與軸的夾角。

3 交流調(diào)速系統(tǒng)性能分析

壓力機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由電機(jī)帶動(dòng)大飛輪，通過(guò)大飛輪儲(chǔ)存能量，在沖壓過(guò)程中其負(fù)荷通常帶有很強(qiáng)的沖擊性，在很短的沖擊過(guò)程中負(fù)載的峰值很高，這時(shí)依靠大飛輪釋放能量來(lái)補(bǔ)充尖峰負(fù)荷的沖擊?？梢钥闯?，壓力機(jī)的外在負(fù)載都是短暫的高峰負(fù)載，類(lèi)似沖擊負(fù)載的分布。因此壓力機(jī)的主傳動(dòng)電機(jī)是按照其運(yùn)行周期、工作量、飛輪速降等參數(shù)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)出的特殊電機(jī)。目前，壓力機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)為高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、由滑差電機(jī)組成的滑差調(diào)速系統(tǒng)和交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。本文以匯川MD280NT160G變頻器和Y2VP400M2-4變頻電機(jī)為主搭建文中所述的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，與現(xiàn)場(chǎng)使用的高轉(zhuǎn)差率電機(jī)和滑差調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

高轉(zhuǎn)差率電機(jī)是指通過(guò)改變轉(zhuǎn)子槽形和導(dǎo)條材料提高電機(jī)轉(zhuǎn)差率，增加轉(zhuǎn)子電阻，從而使之具有堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩較大、堵轉(zhuǎn)電流較小、轉(zhuǎn)差率較高和機(jī)械特性軟等特點(diǎn)[9]。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)適合于傳動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)矩較大和不均勻沖擊負(fù)載，以及反轉(zhuǎn)次數(shù)多的工作場(chǎng)合，因此該電機(jī)在壓力機(jī)中的運(yùn)用較廣泛。但是這種電機(jī)的滑差較高，損耗較大，效率低；同時(shí)，較難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，不能滿(mǎn)足當(dāng)前壓力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。

滑差調(diào)速系統(tǒng)的原理是通過(guò)調(diào)節(jié)滑差電機(jī)的轉(zhuǎn)差率來(lái)改變輸出轉(zhuǎn)速[10]。滑差電機(jī)由恒速電機(jī)和轉(zhuǎn)差離合器組成，由于恒速電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩不變，故其輸出功率不變，對(duì)于轉(zhuǎn)差離合器來(lái)說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，輸出功率減小，而多出來(lái)的功率將以有用功功率的形式通過(guò)離合器電樞渦流等損失掉，因此滑差調(diào)速系統(tǒng)屬于能耗調(diào)速系統(tǒng)；同時(shí)，滑差調(diào)速系統(tǒng)的負(fù)載在額定轉(zhuǎn)矩10%～100%的范圍內(nèi)變動(dòng)，輸出轉(zhuǎn)矩變化率不大于3%，所以該系統(tǒng)調(diào)速線性度差，調(diào)速范圍窄，實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差，可靠性不高。

本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)用能夠滿(mǎn)足壓力機(jī)的需求，特別是大功率電機(jī)啟動(dòng)電流小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊明顯降低，保持了電網(wǎng)穩(wěn)定；由于具有獨(dú)立的降溫裝置能很快散去壓力機(jī)的沖擊型負(fù)載產(chǎn)生的熱量，因此非常適合沖擊型負(fù)載；并且，使用交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的壓力機(jī)與運(yùn)用高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的壓力機(jī)相比，更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，便于搭建自動(dòng)化生產(chǎn)線，適合當(dāng)前壓力機(jī)的發(fā)展；與使用滑差調(diào)速系統(tǒng)的壓力機(jī)相比，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速時(shí)平滑性好，低速時(shí)穩(wěn)定性好，可以實(shí)現(xiàn)大范圍高效連續(xù)調(diào)速控制，提高運(yùn)行效率，工藝范圍廣，節(jié)能效果明顯。同時(shí)，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)中機(jī)械裝置只有變頻電機(jī)，因此其可靠性好、保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)單。綜上所述，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)更加符合壓力機(jī)當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)論

壓力機(jī)應(yīng)用交流調(diào)速系統(tǒng)后，具有運(yùn)行效率高、系統(tǒng)可靠性較好和維護(hù)成本低等優(yōu)勢(shì)。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性，使其具有廣闊的應(yīng)用前景，是今后壓力機(jī)進(jìn)一步現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

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