李巖，李彬，劉照

(1 沈陽(yáng)理工大學(xué)，遼寧沈陽(yáng)110168;2 沈陽(yáng)優(yōu)勢(shì)特起重機(jī)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110014)

0 引言

多相電動(dòng)機(jī)相對(duì)于普通三相電動(dòng)機(jī)具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)［1］:(1)調(diào)速系統(tǒng)具有更多的控制資源和潛能;(2)可以采用低功率器件實(shí)現(xiàn)大功率電機(jī)的調(diào)速;(3)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的幅值小;(4)方便系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì);(5)電機(jī)轉(zhuǎn)子諧波損耗減小，具有良好的低速性能。

多相電機(jī)提高了電機(jī)工作的可靠性，在大電機(jī)控制中采用多相繞組設(shè)計(jì)得到了更廣泛的應(yīng)用。低壓變頻器技術(shù)已經(jīng)是成熟的技術(shù)，因此低壓變頻器在交流電機(jī)控制上得到了廣泛應(yīng)用。

文獻(xiàn)［3］研究了多相同步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真;文獻(xiàn)［4］研究了雙三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)。本文分析六相雙Y 型相移30°繞組結(jié)構(gòu)的交流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并且在工程實(shí)現(xiàn)上采用通用低壓變頻器VaconNXP 進(jìn)行了控制實(shí)現(xiàn)，通過(guò)Vacon 變頻器的特殊軟件完成兩臺(tái)變頻器的同步控制和相位相差30°控制。采用低壓交流變頻器具有性能可靠、故障率低、價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等特點(diǎn)。

1 雙繞組電機(jī)的模型分析

本文分析的六相雙Y 位移30°的交流電機(jī)屬于多相非對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)。此電機(jī)采用兩臺(tái)NXP 變頻器控制。圖1 為變頻控制系統(tǒng)的主電路圖。電機(jī)的每套三相繞組用一臺(tái)變頻器控制，變頻器間采用光纖通信，組成主從控制系統(tǒng)。

電動(dòng)機(jī)雙定子繞組如圖2 所示。繞組1 為UVW 三相，繞組2 為U1V1W1三相，繞組2 順時(shí)針滯后繞組1 為30°。

圖1 雙繞組電機(jī)變頻器控制主電路

圖2 六相電機(jī)定子繞組空間分布

由于電機(jī)定子繞組2 滯后繞組1 為30°，在繞組1中產(chǎn)生的磁鏈Ψ1與繞組2 中產(chǎn)生的磁鏈Ψ2疊加，產(chǎn)生的磁鏈和Ψ 最大，需要通入繞組2 的三相交流電在相位上也滯后通入繞組1 的交流電30°。

為便于分析做理想電機(jī)的假設(shè)

(1)兩套繞組空間相差30°電角度。每套繞組在空間上對(duì)稱(chēng)布置。

(2)忽略遲滯現(xiàn)象、鐵損、磁路飽和的影響。

(3)定子通三相對(duì)稱(chēng)電流，氣隙磁場(chǎng)在空間為正弦波分布，忽略電流諧波影響。

基于上述假設(shè)可得電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的電壓方程為

式中，U、I、R、Ψ—定、轉(zhuǎn)子繞組電壓矢量、電流矢量、電阻矩陣、磁鏈?zhǔn)噶?。通過(guò)派克變換可以獲得基于電機(jī)轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系—dq 坐標(biāo)的數(shù)學(xué)模型［2］。

以電流為狀態(tài)變量的dq 坐標(biāo)系的狀態(tài)方程如下

2 雙繞組電機(jī)變頻控制系統(tǒng)

鞍山某水廠的雙繞組西門(mén)子電機(jī)電壓690V，定子每套繞組額定電流440A，額定速度995rpm，額定頻率50Hz，功率因數(shù)cosφ=0.83。使用變頻器控制電機(jī)達(dá)到調(diào)節(jié)水壓的目的?？刂葡到y(tǒng)如圖3所示。變頻器采用Vacon 公司的NXC0460 6G2L0SSFA1A2D2 變頻器兩臺(tái)，Vacon 變頻器具有IEC 61131-3 編程平臺(tái)軟件，在應(yīng)用層軟件對(duì)用戶(hù)開(kāi)放，編程語(yǔ)言可以用功能塊圖(FBD)，結(jié)構(gòu)文本(ST)和順序功能圖(SFC)三種語(yǔ)言。在變頻器應(yīng)用層內(nèi)置算法比外置控制器如PLC 等具有抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。此電機(jī)為雙繞組相位差為30°電機(jī)。為了實(shí)現(xiàn)相位控制，采用兩臺(tái)變頻控制組成主從控制。

針對(duì)電機(jī)雙繞組控制要求，利用Vacon 變頻器的編程平臺(tái)編制主從同步控制程序Drive-Synch。此程序最多可以控制4 臺(tái)變頻器構(gòu)成主從結(jié)構(gòu)，不同變頻器間可以調(diào)整輸出電壓的相位，控制多達(dá)四套獨(dú)立繞組的電動(dòng)機(jī)工作。

變頻器控制系統(tǒng)圖如圖3 所示。主電路為交流電壓690VAC 給兩臺(tái)變頻器供電。兩臺(tái)變頻器的輸出UVW 分別接到電機(jī)的兩套繞組上。變頻器的控制信號(hào)有:機(jī)旁的手操器給定電壓信號(hào)，用于調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率;上位機(jī)PLC 給定信號(hào)，用于遠(yuǎn)程控制時(shí)控制變頻器輸出頻率;起動(dòng)開(kāi)關(guān)KA1，當(dāng)此常開(kāi)觸點(diǎn)閉合時(shí)，本地控制變頻器起動(dòng)，當(dāng)此開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，變頻器停機(jī);故障復(fù)位轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SW1用于復(fù)位變頻器故障;本地遠(yuǎn)程控制轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SW2，用于控制本地起動(dòng)變頻器還是遠(yuǎn)程起動(dòng)變頻器，當(dāng)SW2開(kāi)關(guān)閉合時(shí)為遠(yuǎn)程控制，KA2開(kāi)關(guān)為起動(dòng)信號(hào)，AI2+與AI2-為頻率給定端子。當(dāng)SW2開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為本地控制，KA1開(kāi)關(guān)為起動(dòng)信號(hào)，AI1+與AI1-為頻率給定端子。變頻器的D2卡用于主從控制通訊，為光纖連接。

圖3 變頻器控制系統(tǒng)圖

主從變頻器除了設(shè)置電機(jī)名牌參數(shù)外，還需要設(shè)置主從控制參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 變頻器參數(shù)

變頻器主從工作，電機(jī)空載時(shí)的從機(jī)工作曲線(xiàn)如圖4 所示。曲線(xiàn)中有電機(jī)電流、電機(jī)速度、變頻器輸出頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)電壓。

圖4 從變頻器空載曲線(xiàn)

從圖中可以測(cè)量出電機(jī)繞組2，即變頻器從機(jī)在T=1'30″時(shí)的數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2 可以得出電機(jī)空載正常工作。

表2 變頻器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門(mén)子PLC 控制，人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)TCP1061Ti 觸摸屏，PLC 接收現(xiàn)場(chǎng)水管的壓力信號(hào)，根據(jù)給定壓力通過(guò)PID 控制算法輸出模擬量送給主從變頻器的主機(jī)，控制變頻器輸出頻率，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制水泵的抽水量，最終達(dá)到控制水壓的目的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)的雙繞組電機(jī)控制系統(tǒng)，控制水廠水泵的供水，帶負(fù)載后，主從變頻器的電流負(fù)載平衡，電機(jī)工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了水廠穩(wěn)定供水。雙繞組電機(jī)具有冗余，當(dāng)一套繞組有故障或一臺(tái)變頻器有故障時(shí);另一繞組或變頻器可以繼續(xù)工作，保證系統(tǒng)能在減小負(fù)載的情況下繼續(xù)工作。

采用多臺(tái)變頻器對(duì)多套繞組的大功率電機(jī)進(jìn)行控制調(diào)速，相對(duì)于高壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，成本低。此方案系統(tǒng)具有很好的推廣價(jià)值。

［1］ 侯立軍，蘇彥民. 多相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景.微特電機(jī)，第34 卷第5 期42-44.

［2］ 馬志云.電機(jī)瞬態(tài)分析［M］.北京:中國(guó)電力出版社，1998.5.

［3］ 喬鳴忠，張曉峰，任修明.多相永磁同步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析與研究［J］.中國(guó)航海，2003(1):67-72.

［4］ 江華，伍小杰.基于MATLAB/SIMULINKD 的雙三相異步電機(jī)的仿真模型及性能分析［J］.大電機(jī)技術(shù)，2006(6):34-37.

［5］ 王步來(lái)，顧偉.雙三相異步電動(dòng)機(jī)的建模和方針研究.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，第12 卷第6 期666-669.