陳春童，唐 堅

（江蘇揚力集團有限公司，江蘇 揚州 225009）

0 引言

鍛壓生產(chǎn)有著悠久的歷史。鍛壓設(shè)備從簡易的平鍛機和蒸汽錘，到?jīng)_壓用的液壓機，再到相當規(guī)模的機械壓力機，發(fā)展到今天，機械壓力機應用最為廣泛。隨著制造業(yè)向生產(chǎn)規(guī)?；a(chǎn)品個性化的方向發(fā)展，生產(chǎn)批量相對變小，產(chǎn)品型號變化加快，多種型號共線生產(chǎn)、覆蓋件大型化和一體化的趨勢日益明顯等[1]，需要壓力機不僅能夠高速度、高精度、大負載運轉(zhuǎn)，而且具有更大的柔性，能方便、迅速地改變輸出運動規(guī)律，這就要求壓力機的電機速度可調(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)在機械壓力機中獲得了應用。

伺服電機因為造價太高，大功率規(guī)格少等，所以其在機械壓力機中應用很少。直流調(diào)速電機曾經(jīng)在機械壓力機中獲得過應用，但是由于它整流裝置結(jié)構(gòu)復雜而龐大、維護保養(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，現(xiàn)在應用很少。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)速電機以其結(jié)構(gòu)簡單、控制操作方便以及價格優(yōu)勢，在機械壓力機中獲得了廣泛應用。本文以現(xiàn)場生產(chǎn)的JD36-630型號的壓力機作為應用背景，對交流變頻調(diào)速系統(tǒng)在壓力機中的應用進行了探討。

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)計簡單、便于應用等優(yōu)點成為目前電機驅(qū)動控制的主要發(fā)展趨勢[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)橹绷鳎缓笥秒姎庠χ绷麟娺M行開關(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，以實現(xiàn)調(diào)速目的。根據(jù)電機學可知，交流電機的轉(zhuǎn)速公式為：

式中：n——交流電機同步轉(zhuǎn)速；

f——定子供電頻率；

s——轉(zhuǎn)差率；

p——極對數(shù)。

從上式可以看出，交流電機的同步轉(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的同步轉(zhuǎn)速。當供電頻率f在0～50Hz范圍內(nèi)變化時，電機轉(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

圖1 交流變頻調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

普通電機是按恒頻恒壓設(shè)計的，不可能完全適應變頻調(diào)速的要求。變頻調(diào)速系統(tǒng)中由變頻電源對電機進行供電，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，普通電機用在變頻調(diào)速系統(tǒng)中會導致一系列問題[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，這些諧波會引起電機定子產(chǎn)生相應的銅損耗和鐵損耗，降低電機運行效率；同時高次諧波的存在還會產(chǎn)生電磁振動和噪聲。②低速時出現(xiàn)低頻脈動轉(zhuǎn)矩，影響低速穩(wěn)定運行。與工頻正弦供電相比，變頻供電會產(chǎn)生一定程度的低次諧波，從而導致低速運行時產(chǎn)生脈沖轉(zhuǎn)矩，影響電機低速穩(wěn)定運行。③低速運行時散熱效果降低。當普通電機在低頻率低速運行時，由于轉(zhuǎn)速很低，電機所采用的自扇冷卻方式所提供的冷卻風量大大減小，散熱效果大大降低。④出現(xiàn)浪涌電壓，損害電機絕緣；電機運行時，外加電壓經(jīng)常與變頻器中元器件換流時產(chǎn)生的浪涌電壓相迭加，有時候浪涌電壓較高，會致使線圈受到反復沖擊，絕緣加速老化。

綜上所述，普通電機運用到交流變頻系統(tǒng)中會面臨很多問題，于是變頻電機應運而生。變頻電機是運用于變頻調(diào)速系統(tǒng)中的專用電機。變頻電機采用電磁設(shè)計，減少了定子和轉(zhuǎn)子的阻值，降低損耗；采用強迫風冷，即主電機散熱風扇運用獨立的電機驅(qū)動，提高散熱效果；并且能適應不同工況條件下的頻繁變速；同時它可以利用變頻器的軟啟動功能將啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求，節(jié)省了設(shè)備維護費用，因此本文采用變頻電機搭建變頻調(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行調(diào)速的同時，又要保證電機磁通不變的思想而提出來的，可以使得電機的磁通保持一定，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)非常簡單，但是這種變頻器采用開環(huán)控制方式，不能得到較高的控制性能，而且低頻時，必須進行轉(zhuǎn)矩補償，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)上按照交流電機的實際轉(zhuǎn)速對應的電源頻率，根據(jù)希望得到的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率，以得到對應的輸出轉(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，并對加減速和負載變化有良好的響應特性[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，對頻率和電流進行控制，因此應用范圍收到了限制。

2.3 矢量控制

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

然后，將兩相靜止坐標系下的電流分量轉(zhuǎn)換到同步直角坐標系下的電流分量Id和Iq，變換矩陣如式（3）所示，Id相當于直流電機的勵磁電流，Iq相當于正比于轉(zhuǎn)矩的電樞電流。該控制方式通過坐標變換實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩和磁場的解耦控制，分別對轉(zhuǎn)速和電磁兩個分量進行單獨控制，該方法的提出具有劃時代的意義[8]。但是在實際應用中，由于系統(tǒng)性能受到電機參數(shù)的影響，且矢量旋轉(zhuǎn)變換比較復雜，使得控制效果難以達到理想狀態(tài)。

式中：φ——磁場定向角。

2.4 直接轉(zhuǎn)矩控制

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)是1 9 8 5年由德國學者M.D epenbrock首次提出。該控制方法采用空間矢量分析的方法，直接在定子坐標系下計算并控制交流電機的轉(zhuǎn)矩和磁鏈，采用定子磁場定向，借助于離散的兩點式控制產(chǎn)生脈寬信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行最佳控制，以獲得轉(zhuǎn)矩的高動態(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)坐標變換，簡單通過檢測電機定子電壓和電流，通過瞬時空間矢量理論計算電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩[9]。因此，直接轉(zhuǎn)矩控制具有動態(tài)反應迅速、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點。

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——給定電機轉(zhuǎn)速；

n——電機轉(zhuǎn)速反饋；

Te0——電機額定轉(zhuǎn)矩給定值；

Te——電機實際轉(zhuǎn)矩估計值；

ψ0——電機磁鏈空間矢量給定值；

ψ——電機磁鏈空間矢量估計值；

θ——電機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

壓力機的驅(qū)動系統(tǒng)主要由電機帶動大飛輪，通過大飛輪儲存能量，在沖壓過程中其負荷通常帶有很強的沖擊性，在很短的沖擊過程中負載的峰值很高，這時依靠大飛輪釋放能量來補充尖峰負荷的沖擊。可以看出，壓力機的外在負載都是短暫的高峰負載，類似沖擊負載的分布。因此壓力機的主傳動電機是按照其運行周期、工作量、飛輪速降等參數(shù)專門設(shè)計出的特殊電機。目前，壓力機常用的驅(qū)動為高轉(zhuǎn)差率電機、由滑差電機組成的滑差調(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變頻電機為主搭建文中所述的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，與現(xiàn)場使用的高轉(zhuǎn)差率電機和滑差調(diào)速系統(tǒng)進行了比較。

高轉(zhuǎn)差率電機是指通過改變轉(zhuǎn)子槽形和導條材料提高電機轉(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)差率較高和機械特性軟等特點[9]。高轉(zhuǎn)差率電機適合于傳動飛輪轉(zhuǎn)矩較大和不均勻沖擊負載，以及反轉(zhuǎn)次數(shù)多的工作場合，因此該電機在壓力機中的運用較廣泛。但是這種電機的滑差較高，損耗較大，效率低；同時，較難實現(xiàn)自動化控制，不能滿足當前壓力機的發(fā)展趨勢。

滑差調(diào)速系統(tǒng)的原理是通過調(diào)節(jié)滑差電機的轉(zhuǎn)差率來改變輸出轉(zhuǎn)速[10]?；铍姍C由恒速電機和轉(zhuǎn)差離合器組成，由于恒速電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩不變，故其輸出功率不變，對于轉(zhuǎn)差離合器來說，當轉(zhuǎn)速降低時，輸出功率減小，而多出來的功率將以有用功功率的形式通過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，滑差調(diào)速系統(tǒng)的負載在額定轉(zhuǎn)矩10%～100%的范圍內(nèi)變動，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，實際動態(tài)響應特性較差，可靠性不高。

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

4 結(jié)論

壓力機應用交流調(diào)速系統(tǒng)后，具有運行效率高、系統(tǒng)可靠性較好和維護成本低等優(yōu)勢。交流變頻調(diào)速的優(yōu)越性，使其具有廣闊的應用前景，是今后壓力機進一步現(xiàn)代化的發(fā)展方向。

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