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1、天车专用滑环电机矢量控制器的研究华中科技大学孟全丰摘要 重载起升是一种特别危险的系统 , 对驱动系统要求具有很高的安全性和稳定性。随着数字技术的发展 , 使得各种先进的技术得以在实践中予以应用。天车专用矢量起升控制器 (A STA T )正是先进矢量技术、数字技术与实践相结合的产物。关键词 可控硅滑环电机矢量转距数字控制近年来 , 异步电机矢量控制、转距控制作为高性能的力矩控制已在很多产业部门得到广泛应用 , 其优越的性能得到了广泛的认可。1现场介绍在炼钢厂 , 涉及到铁水、钢水的吊运 , 铁水、钢水均为高温、液态熔融金属 , 具有高度的危险性。因此 , 起吊设备必须具备起吊安全、平稳的特性。
2、武钢炼钢厂炉前、炉后各有一台同型号的起吊行车 , 均采用该控制方式 , 实践证明该系统稳定可靠。2系统工作原理及构成2. 1 绕线式异步电机的控制方式及天车类负载的特点3 绕线式异步电机的控制方式根据电机学原理 , 在忽略时间和空间谐波、忽略磁饱和、忽略铁损的条件下 , 异步电动机的稳态等效电路图如图 1 所示。 1 则电磁转距(M L 临界转距 )从公式可知 , 通过调节电动机一次电压 U 1 能实现对转矩的控制 (转矩与电压平方成正比 ) , 即通过对定子电压从零到电源线电压的调节 , 就能实现对电机转距的调节。由临界滑差公式知 , 临界滑差与定子电压 U 1 无关 , 只与电机的过载倍数
3、、额定滑差有关 , 故对于一台电机来说 , 临界滑差总是相同的 , 临界滑差点即对应最大转距。故通过改变定子电压 , 电机机械特性的临界滑差点总是不变。同样由公式可知 , 通过改变电机二次电阻 R 2 S, 可以控制在任意速度下滑环电机的转距。但由公式知 , 临界转距 M L与二次电阻无关 , 即无论怎样改变二次电阻 , 对与一台电机来说 , 最大转距总是不变。这样 , 通过对电机定子电压与二次电阻的配合控制 , 便能实现对绕线式异步电机的转距的控制。天车类负载特点天车负载与摩擦类负载不同 , 是受重力作用产生的转距 , 被称之为位能转距。无论转速方向怎么改变 , 它始终保持其原来的方向。同时
4、 , 位能转距的大小也不受转速变化的影响 , 而总是保持恒定。2. 2 A STA T 进行、转子控制的工作原理3 A STA T 定子工作原理定子控制系统总体可分为两部分 : 动力回路、控制回路。其结构框图如图 2, 虚线左边为控制回路 , 右边为动力回路。控制回路部分通过对动力回路电流、电压及电机运行状态的观测 , 根据指令对动力回路进行闭环的最优控制。控制回路的核心单元为控制模块 , 其为一微型计算机处理单元 , 内固化控制算法的程序 , 决定控制方式、控制算法 , 是整个控制系统的核心。它将电机观察模块、电压电流观察模块、控制单元、计算机给出的指令信号按自身固化的程序进行运算、逻辑处理
5、 , 以最优的方式给出触发角大小及系统安全停机等信号。通过对触发角的控制 , 实现对电机的定子电压的调整 , 同时配合转子电阻切换接触器的开闭控制 , 使系统以最佳方式运行 , 满足现场需要。动力回路由五组反并联的可控硅组成 , 其中两组用于换相(正反转 ) , 与对应的另两组交叉连接进行对电机的正反向切换。主回路结构如图 3。 A STA T 转子工作原理转子接触器的开闭由控制模块给出决策 , 通过对电机的速度、转距的实时检测 , 给出转子接触器的切换信号 , 使电机工作891科技信息 博士专家论坛 在最优的特性下运行 , 转子电阻接线图如图 3 电阻部分。3数字控制技术的应用3. 1 控制
6、流程数字控制系统的优点就是在于能用软件实现模拟电子电路所需实现的功能 , 用数字信号处理 (D SP) 单元替代逻辑电路 , 所以一套数字控制系统必须要有一简洁、有效的程序流程作为其核心 2 。 ABB 公司调压调速系统 (A STA T 1001) 的流程图如图4, 该流程的特点在于各参数间相互关联 , 使整套数字系统安全、简单、有效、高速地运行。具体的体现如下 :转距控制与电桥换相的关联在对电机的运行控制过程中 , 要求能做到使电机平缓运行 ,尽量避免对驱动系统的机电机构产生冲击 , 这就要求电机转距不产生较大的突变。在可控硅换向 (电机反向 )过程中 , 这种效应最为明显 , 所产生的最
7、大力矩可能是电动机标称转距的 10 至 20倍 , 如果系统的增益较高 , 这种峰值转距会在驱动系统中产生很响的撞击声。所以在电机换向后的特定时间内减小调节器的增益 , 以避免峰值转距的产生。在切电阻加速与给定定子电压、预极限与速度等之间都存在关联 , 这样保证了系统能安全高速运行。3. 2 矢量控制理论的转距计算转距的实时计算涉及到较多参数 , 运算也较复杂 , 故采用了单独的处理单元 (D SP)进行转距实时计算。 3 其具体实现如下 :通过坐标变换 , 异步电动机可以等效为直流电机 , 那么 , 模仿直流电机 , 求得直流电机的控制量 , 经过相应的坐标变换 , 就能控制异步电机 , 这
8、就是矢量控制理论。通过矢量控制理论 , 能方便地进行转距的实时计算。由矢量控制理论 , 有 : T e= npL m (iB1 iA2- iA1 iB2) 其中各变量关系分别为 4 :iA1、 iB1在二维静止坐标轴下定子 iA、 iB 的等效电流iA2、 iB2在二维静止坐标轴下转子 ia、 ib 的等效电流iA、 iB、 ia、 ib 实际电机一次、二次电流np 电机极对数L m 定子与转子间的互感对于 iA1、 iB1, 其运算框图如图 5:同样 iB1、 iA1也能实时进行运算出来。 5 对与定子与转子间的互感 Lm 能通过在线检测 , 实时进行检测。这样我们便能通过数字处理单元 (D
9、 SP)对电机转距进行实时计算、监测与控制 , 以及给出各关联控制。4系统存在的优点及实际运行曲线3 存在的优点能量平衡是维持低运行成本的关键 , 定子调压调速系统的总体能量损失较少。同有再生制动功能的变频器相比有优势 , 其优点是在于在许多情况下 , 不需复杂昂贵的环境温度控制。由于991科技信息 博士专家论坛 其高质量的设计 , 出色的控制能力及安装总成本的优化 , 定子调压 调速系统是目前最经济的控制起重机或其他类似装备的控制器。1、定子调压调速系统可以在 70% 额定线电压的情况下可靠运行 , 适合供电电压不稳定的场合。2、在电气安装方面 , 定子调压调速系统所占空间少且它比其它控制设
10、备轻。3、定子调压调速系统拥有第一流的转矩响应 , 而转矩和直接接到电源上的电动机相比并无减少。4、定子调压调速系统具有光纤通讯功能 , 用以集成到整体的自动化系统。5、简化系统能快速并容易掌握。6、实际运行曲线 :5结语A STA T 天车专用矢量控制器是一个成熟的晶闸管相位控制的起重机控制系统 , 它包含了所有起重机控制的常用功能。使用新开发的转矩及电流调节器 , 并在固有的稳压控制特性支持下 , A STA T 调速系统通过改进了起重机的响应优化了电动机控制 , 并通过控制的平滑处理 , 减少冲击 , 延长了部件寿命。参考文献1 刘宗富 . 电机学 , 北京冶金工业出版社 , 1986。
11、2 席爱民 . 计算机控制系统 , 西安陕西科学技术出版社 ,1996。3 黄一夫 . 微型计算机控制技术 , 北京机械工业出版社 ,1988。 4 徐银泉 . 交流调速系统及其应用 , 上海中国纺织出版社 , 1996。 5 陈伯时 . 电力拖动自动控制系统 , 北京机械工业出版社 , 1999。(上接第 201 页 )以朱、黄绘制 , 富丽堂皇 , 装饰性极强。所创造的形象、空间和氛围 , 整体效果强烈 , 规模博大、气度恢弘 , 不同凡响。楚漆器中有异曲同工的为江陵望山一号墓出土的虎座鸟 , 是楚漆器中的精品 , 被认为是鼎盛期楚文化的象征。在卧伏的虎座上 , 站立一只昂首展翅、神气活现
12、的风鸟 , 双足插在虎背中。整体的看 , 风鸟的翅并不起眼 , 可是那插在鸟背的一对鹿角 , 却轻松地占领着它四周的空间 , 产生一种轻灵的升腾感 , 不仅给我们创造了一个辽阔的空间 , 也赋予这空间以浓厚审美气息 , 为我们显示了楚人独具审美观照方法和无羁无绊的想象力。它既不是对大自然的单纯模仿 , 也不是单纯的自我艺术表现 , 是一种自由生命形象的创造。三 , 楚漆器的审美 : 从楚漆器 , 我们可以看出楚人特有的审美观照方式 , 更能强烈感受到一种富于想象 , 充满生命激情的民族气质和文化精神以及它那瑰丽流畅的情感外露。试比较下古希腊瓶子的纹饰 ; 一个在精确符合数学比例的形式中显示其明
13、晰、秩序、单纯、稳定之美 , 另一个则在颇难把握的错综变化中显示其运动气势、力量之美。而且 , 即使在它看去是很稳定的情况下 , 它也似乎要冲破而飞动起来。 4 (p296) 富于抽象美的艺术风格 , 是体现人神交融的一种人与自然关系的生动写照。楚漆器彩绘所表现的独特艺术智慧和超乎寻常的艺术想象力 , 源于楚人达观的生命态度 , 即对死亡的超越 , 对精神生命的执着与爱 , 对神秘未知世界和自由精神境界的忘我追求。因此 , 我们面对楚漆器作品往往会不自觉产生一种轻快的、仿佛离开大地般的超脱感与升腾感 , 它是上古时期人类心智和精神的一种十分独特的艺术表现。在众多丰富的楚漆器中 , 彩绘所闪耀着夺目的艺术光彩。那奇特的造型 , 充满神秘诡谲和无拘无束的想象 ; 飞扬流动的纹饰 ,艳丽绚烂的色彩 , 对比强烈而不失整体和谐 , 洋溢着一种浪漫的激情和充沛的生命活力 ; 精细的制作 , 巧夺天工 , 既凝聚着楚人的向往追求精神 , 也闪烁着楚人的创造智慧光芒。楚漆器不仅在中国漆业史上 , 而且在中国文化史中 , 也有极其灿烂的位置。参考文献1 刘纲纪楚艺术研究 M 湖北美术出版社 , 19912 傅举有中国漆器全集 M 福建美术出版社 , 19963 陈振裕漆器艺术 M 湖北美术出版社 , 19894 刘纲纪周易美学 M 湖南教育出版社 , 1992002科技信息 博士专家论坛
