王 兵

（江蘇省灌南中等專業(yè)學(xué)校，連云港 222500）

目前，三相交流調(diào)速設(shè)備的各類高性能控制方法已經(jīng)得到較為成熟的應(yīng)用，特別是在當(dāng)代大工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用，作為設(shè)備的重要部件或核心部件，電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中。電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)是電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能之一，掌握這種電機(jī)電子的調(diào)速方式對提高電機(jī)的工作效率具有非常重要的意義。

現(xiàn)有調(diào)速技術(shù)已進(jìn)行了大規(guī)模經(jīng)濟(jì)應(yīng)用，為三相電機(jī)在今后更長一段時(shí)間中的應(yīng)用和推廣提供了條件。文獻(xiàn)[1]提出新型電子變極式五相永磁電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是通過控制輸入的基波和三次諧波電流，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)改變極性，從而在電機(jī)不關(guān)閉的情況下使電子變極達(dá)到理想的效果，同時(shí)擴(kuò)大電機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍。在此基礎(chǔ)上，基于繞組函數(shù)理論研究了該新型電機(jī)的極性集中繞組的槽/極數(shù)組合的選取。文獻(xiàn)[2]基于脈沖頻率調(diào)制技術(shù)提出在直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)中的研究，將其應(yīng)用于食品灌裝泵中時(shí)，完全滿足泵送及輸送的效果，解決了活塞泵灌裝精度不高、誤差較大的問題，實(shí)現(xiàn)了灌裝機(jī)攪拌、精確灌裝生產(chǎn)。雖然上述研究取得了一定進(jìn)展，但是在大功率、低壓大電流等特殊運(yùn)行環(huán)境中，由于三相交流調(diào)速設(shè)備自身存在問題，這類型設(shè)備的主導(dǎo)地位受到了影響。針對這一問題，相關(guān)人員通過研究多相電機(jī)調(diào)速設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)能夠在更加復(fù)雜的條件下穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，與傳統(tǒng)三相交流調(diào)速設(shè)備相比，多相調(diào)速設(shè)備增加了逆變器裝置，使設(shè)備的容錯(cuò)運(yùn)行能力更強(qiáng)。然而，目前大部分電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)只能夠在三相交流調(diào)速設(shè)備中應(yīng)用，在多相調(diào)速設(shè)備中應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的調(diào)速效率低、調(diào)速不受控等問題，從而嚴(yán)重影響多相調(diào)速設(shè)備的應(yīng)用。基于此，本文引入一種準(zhǔn)線性模型，針對多相調(diào)速設(shè)備，提出一種全新的電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)。該調(diào)速技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)是提出了電機(jī)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)變化準(zhǔn)線性模型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 基于準(zhǔn)線性模型的電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 基于準(zhǔn)線性模型的電機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化模擬

為實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電子變極調(diào)速的控制，要先明確電機(jī)在運(yùn)行過程中各個(gè)參數(shù)的具體變化情況。所模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化具備以下設(shè)計(jì)要求。

第一，設(shè)備制動(dòng)平穩(wěn)性。與傳統(tǒng)電機(jī)不同，所設(shè)計(jì)的電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)擁有電機(jī)制動(dòng)，且調(diào)速率以及各類外界因素對電機(jī)制動(dòng)具備較大影響。在常規(guī)電機(jī)電子變極調(diào)速制動(dòng)能量回收過程中，極有可能產(chǎn)生以下情況：一方面，電機(jī)制動(dòng)力矩和機(jī)械制動(dòng)力矩總和高于設(shè)備自身所需的制動(dòng)力矩，導(dǎo)致設(shè)備無法轉(zhuǎn)向；另一方面，若電機(jī)制動(dòng)力矩和機(jī)械制動(dòng)力矩總和低于設(shè)備自身所需的制動(dòng)力矩，則會(huì)減少電機(jī)的利用率，致使制動(dòng)距離較長，安全性能受到嚴(yán)重威脅。因此，模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化的首要任務(wù)就是保障設(shè)備制動(dòng)的平穩(wěn)性。

第二，操作者制動(dòng)感受。電機(jī)制動(dòng)的制動(dòng)力矩會(huì)隨著設(shè)備運(yùn)行速度的變化而改變，且制動(dòng)力矩不是固定值。若電機(jī)制動(dòng)力矩變小，此時(shí)機(jī)械制動(dòng)力矩會(huì)逐步增長，防止產(chǎn)生制動(dòng)力矩不充分現(xiàn)象，這也是設(shè)備運(yùn)行中較為理想的情況。但是，在實(shí)際設(shè)備運(yùn)行中，機(jī)械制動(dòng)總會(huì)發(fā)生延遲，并且很容易受到其他因素影響，從而產(chǎn)生制動(dòng)力矩抖動(dòng)現(xiàn)象。此類抖動(dòng)現(xiàn)象回饋到制動(dòng)踏板時(shí)，踏板也會(huì)發(fā)生抖動(dòng)，從而影響操作者的下一步操作。因此，在模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化過程中，要著重分析操作者的操作感受。

第三，制動(dòng)能量回收率。電機(jī)電子變極調(diào)速技術(shù)制動(dòng)能量回收控制系統(tǒng)具有環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢，但在制動(dòng)過程中，不同的操作均會(huì)損耗能量，并不是全部能量均能被回收，如摩擦阻力、空氣阻力等均會(huì)使能量產(chǎn)生損耗。同時(shí)，制動(dòng)能量回收率對設(shè)備的能量利用率與充電續(xù)航能力有較大影響，需要系統(tǒng)進(jìn)一步提升制動(dòng)能量回收率。

由于電機(jī)在運(yùn)行過程中受排氣模塊、燃燒模塊和冷卻模塊等的影響，需要引入準(zhǔn)線性模型模擬電機(jī)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)變化情況。電機(jī)的動(dòng)態(tài)特征參數(shù)變化準(zhǔn)線性模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)變化準(zhǔn)線性模型結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，電機(jī)動(dòng)態(tài)特征參數(shù)變化準(zhǔn)線性模型主要包括電流流量、摩擦損失和平均指示壓力等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。實(shí)際的電流流量為理論電流與充電效率的乘積，充電效率可以看作是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)[3]。根據(jù)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中得出的充電效率結(jié)果，可以將充電效率擬合成為電機(jī)轉(zhuǎn)速的二次多項(xiàng)式：

式中：η為電機(jī)充電效率；a0、a1和a2為通過準(zhǔn)線性模型擬合得出的常數(shù)；ne為電流流量。

電機(jī)運(yùn)行過程中會(huì)不可避免地產(chǎn)生摩擦損失。針對這一動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，可將其看作電機(jī)轉(zhuǎn)速的二次函數(shù)，則有：

式中：p為電機(jī)摩擦損失；b0和b1為待定常數(shù)。

按照上述相同思路，可以完成所有電機(jī)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)在調(diào)速過程中的變化模擬，從而為后續(xù)電機(jī)電子每相電機(jī)組切換速度控制提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

1.2 電機(jī)每相兩個(gè)極相組切換速度控制

電機(jī)電子變極調(diào)速的實(shí)質(zhì)是對電機(jī)每相兩個(gè)極相組切換速度的控制。假設(shè)電機(jī)電子每相都有1對極和2對極，通過1對極與2對極之間運(yùn)行模式的切換，即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)電子變極調(diào)速的控制[4]。在變極的過程中，必須要保證控制器的平穩(wěn)性。此外，在確保各對極穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，必須確保變極過程中轉(zhuǎn)矩的相對穩(wěn)定。在控制切換速度時(shí)，若勵(lì)磁電流保持不變，則此時(shí)變極轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。在不考慮電機(jī)參數(shù)變化時(shí)，每個(gè)平面上的電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩電流數(shù)值大小應(yīng)當(dāng)成正比[5]。因此，在電機(jī)電子變極過程中，要確保勵(lì)磁電流分量不變，只需要控制電機(jī)的電流分量，即可實(shí)現(xiàn)對電磁轉(zhuǎn)矩的控制，從而達(dá)到變極調(diào)速的目的。在調(diào)速控制時(shí)，其控制過程可參考以下公式：

式中：i1ds、、i2ds和分別為電機(jī)兩個(gè)極相組平面轉(zhuǎn)矩上電流分量和勵(lì)磁電流分布參考數(shù)值；t為電機(jī)變極調(diào)速的耗時(shí)，取值范圍為0～Tm；Tm為電機(jī)完成電子變極調(diào)速的總耗時(shí)；k1ds和k2ds為電機(jī)兩個(gè)極相組的電磁轉(zhuǎn)矩。

在階躍響應(yīng)狀態(tài)下，從開始發(fā)生變極時(shí)刻，即從t=0時(shí)開始，i1ds可直接轉(zhuǎn)變?yōu)閕2ds，而i2ds可直接轉(zhuǎn)變?yōu)閕2qs[6]。對于存在斜坡響應(yīng)時(shí)發(fā)生的變極，應(yīng)當(dāng)在變極的過程中確保i1ds和i2ds的數(shù)值始終保持不變。針對i1qs和i2qs應(yīng)當(dāng)按照Tm數(shù)值為k×t時(shí)的關(guān)系逐漸減小到零，同時(shí)增加i*1ds，使電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定，從而避免在調(diào)速控制的過程中因出現(xiàn)電機(jī)飽和問題而影響電機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量。

2 基于兩種調(diào)速技術(shù)的電機(jī)電子變極調(diào)速實(shí)驗(yàn)研究

本研究選擇在一臺(tái)五相感應(yīng)電機(jī)上完成基于兩種調(diào)速技術(shù)的電機(jī)電子變極調(diào)速實(shí)驗(yàn)，并分別利用兩種調(diào)速技術(shù)對該電機(jī)進(jìn)行5次調(diào)速控制。實(shí)驗(yàn)時(shí)，分別選用本文提出的調(diào)速技術(shù)和三相電機(jī)調(diào)速中常見的模糊數(shù)字電視（Packet Identifier，PID）控制的調(diào)速技術(shù)，并設(shè)置該五相感應(yīng)電機(jī)的兩種響應(yīng)狀態(tài)分別為階躍響應(yīng)和斜坡響應(yīng)，其中前3次控制時(shí)為階躍響應(yīng)，后2次控制時(shí)為斜坡響應(yīng)。應(yīng)用兩種調(diào)速技術(shù)時(shí)，均控制電機(jī)從1對極向2對極變極調(diào)速。實(shí)驗(yàn)過程中，觀察并記錄電機(jī)的轉(zhuǎn)矩電流、電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)變化。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)用兩種調(diào)速技術(shù)時(shí)要控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速均為1 500 r·min-1，所帶負(fù)載均為15 N·m。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，記錄兩種調(diào)速技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制時(shí)的轉(zhuǎn)速降落情況和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量，得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 電機(jī)轉(zhuǎn)速降落情況和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量記錄表

根據(jù)表1可知，在電機(jī)運(yùn)行過程中，若轉(zhuǎn)速降落數(shù)值較大，則說明從1對極向2對極轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)了大量能源損耗，影響速度的穩(wěn)定性。若轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量過大，會(huì)造成電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性低。另外，在應(yīng)用傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)時(shí)，產(chǎn)生的較大轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)進(jìn)一步影響電機(jī)的負(fù)載，并使其發(fā)生較大變化，從而導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)行。通過表1中的數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文的調(diào)速技術(shù)，無論是轉(zhuǎn)速降落值還是轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)量，都明顯小于傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)?？梢姡疚奶岢龅恼{(diào)速技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中能夠更穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。

3 結(jié)語

雖然目前多相電機(jī)相對于三相電機(jī)而言具有諸多優(yōu)勢，但其應(yīng)用尚不廣泛。針對目前多相電機(jī)和調(diào)速設(shè)備關(guān)注度不斷提高，但傳統(tǒng)三相電機(jī)調(diào)速技術(shù)無法在多相電機(jī)中充分發(fā)揮作用的問題。本文引入了一種準(zhǔn)線性模型，提出了一種全新的調(diào)速技術(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的應(yīng)用效果。本文在對調(diào)速技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)考慮的調(diào)速對象為五相電機(jī)，這一調(diào)速技術(shù)在三相電機(jī)中的相關(guān)研究并未涉及。因此，在后續(xù)研究中要針對該調(diào)速技術(shù)在不同類型電機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行更加深入的研究，從而找出能夠應(yīng)用于多種電機(jī)類型的調(diào)速技術(shù)。