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上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 摘要 起重机在各行各业中应用十分广泛，随着科技的发展和时代的进步，起重机 也得到了长足的发展，尤其在调速方面的变化十分显著。传统起重机是通过鼓形 凸轮控制器调节串接在绕线式电机转子中的电阻，改变电机固有特性曲线，进而 达到调速目的，以满足起升速度和保证安装定位的要求。它存在着速度变化大、 速度不稳定等因素，使得起重机运行效率低、功耗大、性能不稳定，另外电机滑 环、碳刷磨损大，维修费用高；随着电力电子技术的发展，具备微电脑技术、p w m 技术及矢量变换技术和能量回馈技术的起重机专用变频器的出现，使新一代起重 机变频器调速系统的方案完全成熟。 我国起重机开始采用变频器进行调速控制大约在8 0 年代后期，尽管那时大 多是v f 比控制的变频器，但是这一崭新技术马上显示出了强大的生命力。变频 无级调速的平稳性、可控性和节能等特点迅速地被大家所接受和认可。这一技术 先是从起重机改造突破，开始较多是在大小车走行机构上得到应用，在取得经验 之后，逐渐在起升机构中应用。随着变频技术的不断发展，专业起重机生产企业 也把眼光投向这一高技术领域，并针对起重机作业的特点，深入开展变频调速系 统的研究。 变频调速系统与传统的绕线电机转子电阻调速相比要复杂得多，系统如何进 行优化设计、怎样保证系统可靠运行以及有效的日常维护和维修等问题，摆在我 们面前急待去解决。同时由于起重机的工作性质，决定了它的传动系统必须进行 短暂、频繁的往复运动，这样机构和结构将产生冲击和振动，这就是通常所说的 动载。本文从两项静止坐标系出发，将变频调速控制系统应用s i m u l i n k 构造 成以三相静止坐标系a 、b 、c 下的异步电动机仿真模型，将起升机构系统简化 成三质量二自由度等效扭振系统并建立起的数学模型和仿真模型，通过这两部分 的有机结合能很好的反映实际系统的动载特性，且方法简单，有极高的稳定性和 可靠性，具有很好的工程实用价值，能够为起升机构的设计节省大量人力、物力 及设计的时间。 关键词：异步电动机；起升机构；等效扭振系统；计算机仿真 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 a b s t r a c t c r a n eh a sb e e nu s e dw i d e l yi nt h ee v e r yw a l ko fl i f e w i t ht h es c i e n c ea n d w 圮h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da g ea d v a n c e m e n t ，c r a n eh a sb e e nd e v e l o p e db yl e a pa n d b o u n d st o o ，e s p e c i a l l y , i th a sb e e nd e v e l o p e db yl e a pa n db o u n d si nt h et i m i n g ； t r a d i t i o nc r a n ew h i c h t i m i n gb ya d j u s t i n gr e s i s t a n c ei nr o t o ro ft h eb o b b i nm o t o rw i t h d r u m - c a mc o n t r o l l e r , w h i c hc h a n g ei n b e i n gc l l r v eo fm o t o rt ot i m i n ga i m i tc a l l s a t i s f yt h eu p l i f ts p e e da n de n s u r ed e m a n do ff i x i n go r i e n t a t i o n s p e e do ft h i st i m i n g c h a n g e sg r e a t l ya n dd o e sn o ts t e a d yi nt h em i d d l et ol o we f f i c i e n c y 、m o r eo o n s n m e 、 a s t a t i c i s mo f c a p a b i l i t ya n ds l i pl o o po f m o t o r 、c a r b o l i cb r u s h e a s yw e , a fa n d t e a ra n d l l i g hm a i n t a i n i n ge x p e n d i t u r e w i t ht h ee l e c t r i ca n de l e c t r i c a ld e v e l o p i n g s y s t e mo f u r a n s d u c e rt i m i n gn e wc r a n et h a ti n s t a l lp ct e c h n o l o g y 、p w mt e c h n o l o g y v e c t o r c o u n t e r c h a n g et e c h n o l o g ya n de n e r g yr e t u r nt e c h n o l o g yw a sm u c hm o r ep e r f e c t o u rc o u n t r yc r a n e sh a v eb e e nu s i n gt h et r a n s d u c e rt ot i m i n gs i n c e 1 9 8 0 、s ， d e s p i t ea p p l i e da l w a y st r a n s d u c e ro fv 伊r a t ec o n t r 0 1 t h en e wt e c h n o l o g yd i s p l a y p o w e r f u l a d v a n t a g e t r a n q u i l i z a t i o no ff r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dn op o l a rt i m i n g 、 e a s yc o n t r o l 、e c o n o m i z ee n e r g yp e c u l i a r i 哆w a sa c c e p t e ds p e e d ya n da d m i t t h i s t e c h n o l o g yb r e a k t h o u g hf r o mc h a n g i n gc r a n ea n da p p l ya tt h eb i g s m a l lv e h i c l e s t e p p e dm a c h i n e a f t e rg e te x p e r i e n c e ，i tw a su s e dg r a d u a l l yi nt h ec r a n ei n d u s t r y w i t ht h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nt e c h n o l o g yd e v e l o pe m p h a s e so f t h ec r a n e i n d u s t r yp u t a tt h eh i g h - t e c hf i e l da n da i ma tt h ec f a n ei n d u s t r yc h a r a c t e r i s t i ct or e s e a r c hd e e p l y t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dn op o l a r t i m i n gs y s t e m t h ef r e q u e n c yc o n v e r s i o na n dn op o l a rt i m i n gs y s t e mi sn l o r ec o m p l e xt h a n t i m i n gs y s t e mo ft r a d i t i o nc r a n ew h i c ht i m i n gb ya d j u s t i n gr e s i s t a n c ei nr o t o ro ft h e b o b b i nm o t o r , b o wd ot h e s y s t e mo p t i m i z e 、r u nr e l i a b l y 、m a i n t a i nd a i l ya t a n y t i m e , t h e s en e e do u rt or e s o l v ea tt h ef i r s tt i m e t h et r a n s m i s s i o ns y s t e mm u s td o t r a n s i t o r ya n dh i g hf i e q u e n c yt o - a n d - f r om o v e m e n t , b e 煳n s eo ft h ec r a n e - w o r k c h a r a c t e r , w h i c ha r o s ev i b r a t i o na n di m p a c to ft h em a c h i n e ，t h i si sn a m e dd y n a m i c l o a d t h ep a p e re s t a b l i s h e sam o t o rm o d e l ，at h r e e - m a s sa n dt w o - d e g r e e so ff r e e d o m e q u i v a l e n ts y s t e ma n di t sd y n a m i c se q u a t i o n s ，i no r d e rt or e s e a r c ht h ed y n a m i c p e r f o r m a n c eo fc r a n eh o i s t i n gm e c h a n i s m o nt h eb a s i so fe s t a b l i s h e dm a t h e m a t i c a l m o d e l ，i ta l s os i m u l a t e sf o u rt y p i c a ls i t u a t i o n so fh o i s t i n gm e c h a n i s mb ys i m u l i n k 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 t h ev a l i d i t yo ft h es i m u l a t i o nm o d e li st e s t e da n dt h er e s u l tp r o v e st h a tt h em e t h o di s v a l u a b l ef o re n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：s y n c h r o n o u sm a c h i n e ；h o i s t i n gm e c h a n i s m ；d y n a m i cp e r f o r m a n c e e q u i v a l e n ts y s t e m ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名：型日期：二型，侈 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上i n 公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：! 士塞昼1 导师签名：旦量叁日期：塑王鱼：簟 上海海事大学硕士学位论文 基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 近年来，随着港口运输事业的发展，港口起重机开始向大型化、专业化方向发 展，这就要求现代港口起重机的调速性能要求比一般起重机要高，以保证在进行起 升作业时平稳、可靠，具有良好的低速就位性能。但传统的电气传动控制的交流传 动转子串电阻调速，即使采用变频调速控制，也只是用在小车、大车、变幅或回转 机构上。直流传动由于直流电机具有机械式换向器这一致命弱点，使其应用受到限 制。近年来，变频技术目前趋成熟，以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速 的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首，其调速性能完全 可以和直流传动相媲美。 我国起重机开始采用交频器进行调速控制大约在年代后期，尽管那时大多是 v f 比控制的变频器，但是这一崭新技术马上显示出强大的生命力。变频无级调速 的平稳性、可控性和节能等特点迅速地被大家所接受和认可。这一技术先是从起重 机改造突破，开始较多是在大小车走行机构上得到应用，在取得经验之后，逐渐在 起升机构中进行应用。随着变频技术的不断发展，专业起重机生产企业也把眼光投 向这一高技术领域，并针对起重机作业的特点，深入开展变频调速系统的研究。 起重机的工作特点是工作强度大、重复性高，这就导致了其就有很大的疲劳强 度，使得起重机的安全和使用寿命都大大的降低，为了在一定的程度上减小这种后 果，我们必然要对其各种情况下的工作动力载荷进行分析，从而确定那些因素能对 其产生影响较大，只有知道了这些我们才能寻求解决的办法，而本文就是从这种角 度去分析，去寻求一种较好的方法来尽可能的提高起重机的安全性和使用寿命。 1 1 1 现代变频调速技术的发展 现代交流电机调速系统 1 1 有电力半导体变流器、电动机、控制、检测四部分组 成。这四部分互相依存、共同作用、实现交流驱动的高精度、使用方便、低转矩脉 动、低噪音、无传感器、小型化等性能指标。近一段时间以来，在调速的相关领域， 涌现出了许多新的理论和器件，因而打破了交流传动按调速分工的传统格局，特别 是近年来，微机数字控制的发展以及电力电子器件越来越优越的性能为现代交流调 速系统的发展提供了坚实的基础。可以说电力电子和微机数字控制的迅速进步是推 上海海事大学硕士学位论文基于s 小珊k 的变频调速起升机构动载的研究 动交流调速不断发展的动力，同时也给起重机行业提供了变革的技术基础。 目前的电力变流烈习的硬件主要采用s c r 、g t o 、g t r 、i g b t 等电力电子器件， 利用p w m 技术、多重化技术等实现d c a c 、a c - a c 、d c - d c 、a c - d c 的能量转 化。随着电力电子器件性能的不断提高，通用变频器的体积越来越小，重量越来越 轻，控制手段也由v f 比恒定控制变为恒定子磁链控制以及定子电阻的辨识等，进 而提高了控制性能。 另一方面，随着控制理论的发展和完善，各种控制策略趋于复杂化。利用现代 控制理论，可以不采用传感器，尤其是机械传感器就能对状态参数进行观测和计算， 为系统提供所需的信息。而微机数字控制以软件方式取代了以往复杂的电子电路， 为实现控制算法提供了可能。 正因为以上领域的发展，s p w m 、矢量控制、直接转矩控制、d s p 技术等控制 手段才得以实现，交流调速由此获得了一次又一次的飞跃。 l i 2s p w m 控制方法的选用 本文的研究对象是本学院起升机构实验台，其所应用的鼠笼式三相异步电动机。 而异步电动机的调速系统种类很多，常见的有s p w m 控制、矢量控制、直接转矩控 制等，这些控制方法都得到了不同程度的发展和应用，但控制性能有一定的差异、 直流电动机之所以有良好的控制性能，其根本原因是当励磁电流恒定时，控制 电枢电流的大小就能无时间滞后的控制瞬时转矩的大小【4 】异步电动机产生瞬时转矩 的原理虽然和直流电动机相同，但由于建立气隙磁场的励磁分量和电磁转矩所对转 子电流有功分量都包含在定子电流中，无法直接的将它们分开，在运行过程中，这 两个分量相互影响。因此要控制异步电动机的瞬时转矩十分困难。像恒压频比控制、 转差率控制的变频调速系统由于从控制电动机平均转矩的角度出发来控制电动机的 转速，因而难以获得较理想的动态性能，使异步电动机在高精度调速系统和伺服系 统中的应用受到限制。而s p w m 控制能有效的解决这个问题，使交流控制系统的应 用的到扩大，尤其是在港口起重机方面应用的有为突出。 1 2 问题的引出 变频调速系统与传统的绕线电机转子串电阻调速相比要复杂得多，系统如何进 行优化设计、怎样保证系统可靠运行以及有效的日常维护和维修等问题，摆在我们 面前急待去解决。 港口起重机基本机构是起升机构，近两年变频调速才开始用在起升机构上，在 2 上海海事大学硕士学位论文 基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术有：( 1 ) 低频时能保证恒转矩输出，以 避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象：( 2 ) 满负载时在空中制动停车或再 提升时，不产生溜钩现象；( 3 ) 电机减速或重载下放时，再生制动能量必须迅速释放； ( 4 ) 实现恒转矩调速和恒功率调速轻，空载起升速度提高一倍。 由于起重机的工作性质，决定了它的传动系统必须进行短暂、频繁的往复运动， 这样机构和结构将产生冲击和振动，这就是通常所说的动载。6 0 年代以来，由于电 子计算机的发展为快速、准确大量的计算提供了有力的手段，机械震动理论的系统 化及不断完善又为动载问题的研究打下了坚实的基础，先进的实验仪器和方法为了 解机械动态过程创造了条件，此外，统计力学、疲劳理论、可靠性设计等新学科的 建立及发展也对起重机动力学的研究开辟了新的领域并提出新的要求。 1 3 本章小结 本章首先阐述了选题的背景和意义，然后分析了目前变频调速的发展和主要的 控制方法，同时从各个方法的比较中引出了本文在异步电动机中所采用的调速控制 方法，同时给出了本文的总体思路和主要内容。 同时给出了本文的总体思路：从两项静止坐标系出发将变频调速控制系统应用 s i m u l i n k 构造成以三相静止坐标系a 、b 、c 下的异步电动机仿真模型，将起升 机构系统简化成三质量二自由度等效扭振系统并建立起的数学模型和仿真模型，通 过这两部分的有机结合能很好的反映实际系统的动载特性，且方法简单，有极高的 稳定性和可靠性，具有很好的工程实用价值，能够为起升机构的设计节省大量人力、 物力及设计的时间。 3 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 第二章变频调速电机模型的建立 2 1 基于s i m u l i n k 的变频调速系统的仿真 异步电动机本身是一个非线性、强耦合、高阶次的控制对象，使用经典的交流 电机理论和传统的控制系统分析方法不能完全适用于异步电动机分析。利用计算机 仿真方法来研究异步电动机是解决这类问题的一种有效工具。用计算机对异步电动 机的动态过程进行仿真可以从理论上揭示其瞬态运行的特征以及瞬态过程中各电磁 量的变化规律，它可以为构成更完备的电机控制和调节系统方案提供直接的依据， 为改善电机的运行状况与更好地满足生产需要提供了新的手段。m a t l a b 语言是目 前国际上流行的一种仿真工具语言，它具有强大的矩阵分析和运算功能。建模仿真 可视化功能，s i m u l i n k 是m a t l a b 五大通用功能之一，它是基于m a t l a b 语言环 境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、 可视化及可封装等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性s i m u l i n k 提供了丰 富的模型库供系统仿真使用，另外用户也可根据自己的需要开发所需的模型，并通 过封装扩充现有的模型库。本章介绍一种利用s i m u l i n k 功能建立异步电动机模型 及仿真方法，并通过实例进行仿真，以验证仿真模型的正确性。 s i m u l i n k 是美国m a t hw o r k s 软件公司为m a t l a b 提供的基于模型化图形 组态的控制系统仿真软件。它允许用户在计算机屏幕上绘制框图来模拟一个系统， 并能够动态地模拟控制该系统，使得一个复杂的控制系统的数字仿真同量变得十分 直观两且相当容易。作为m a t l a b 的重要组成部分。s i m u l i n k 具有相对独立的功 能和使用方法，它支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统、连续和 离散混合系统。而且系统可以是多进程。s i m u l i n k 提供了友好的用户界面g u i ， 模型由模块组成的框图来表示，用户建模只需通过简单的单击和拖动鼠标的动作就 能完成。下面介绍如何用s i m u l i n k 仿真s p w m 交频调速系统。 2 2 正弦脉宽调制( s p w m ) 变频调速原理 s p w m 变频调速是交流调速系统中较为常用且较为有效的一种调速方式 5 1 。其 思路是将一可调幅频的正弦波调制成一串等距、等幅、中间宽两边窄的脉冲信号。 如图2 1 如果把一正弦波的上半波n 等分，然后把每一等分的正弦曲线与x 轴所包围的 面积都用一个与此面积相等的矩形脉冲来代替。矩形脉冲的幅值不变，各脉冲的中 点与正弦波每一等分的中点重合( 图2 1 ) 。这n 个中间宽两边窄的等幅矩形脉冲与正弦 4 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 波的半周等效，称为s p w m 波形。若用s p w m 波形来作为逆变器的触发脉冲。则逆 变器在理想状态下也应输出s p w m 波形。通过改变矩形脉冲的宽度可以控制逆变器 输出交流基波电压的幅值，通过改变调制周期( 即正弦波的周期) 可以控制其输出频 率，从而在逆变器上可以同时进行输出电压幅值与频率的控制，满足变频调速对电 压与频率协调控制的要求。s p w m 各脉冲幅值相等所以逆变器可由恒定的直流电 源供电，另外，s p w m 波形与正弦波等效，这样使负载电机可在近似正弦波的交变 电压下运行，转矩脉动小，提高了系统的性能。 u d u d 图2 1 与正弦波等效的s p m w 波形 根据变频调速原理嘲，设计调速系统时应注意： ( 1 ) 基频以下采用恒压频比控制方式，以保证磁通不变，并在低频下将电压给 定信号适当提高，进行低频电压补偿；基频以上采用电压为额定值不变，弱磁升速 的恒功率控制方式。 ( 2 ) 为便于仿真，s p w m 信号通过自然采样法生成，即通过三角波和正弦调制 波的直接比较，从而得到一组等幅而脉冲宽度正比于正弦波函数值的矩形脉冲 s p w m 波形。s p w m 变频调速系统原理【7 】图如图2 2 所示 5 上海海事大学硕士学位论文 基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 图2 2s p w m 变频调速系统原理图 一般三相异步电动机调速方法有： ( 1 ) 改变磁极对数p 来改变电机转速，所得到的转速只能是3 0 0 0 、1 5 0 0 、1 0 0 0 ， 为有级调速： ( 2 ) 改变转差率s 调速，常用的方法是改变定子电压调速和滑差电机调速，该方 法转子损耗较大，效率低； ( 3 ) 改变定子电源频率，其调速属于改变同步转速，l l 调速，由于没有人为的改 变s ，转子中不产生附加的转差功率损耗，所以效率高。其是一种较为理想的调速方 法，但变频调速需要较复杂的控制电路组成。三相异步电动机同步转速为： ：6 0 f , ( 1 一s ) =( 1 一s l p 式中，p j 磁极对数； z 定子电流频率，即电源的频率， = 5 0 h z ； s 转差率，即同步转速与转子转速二者之差与同步转速的比值。 由于交流电的频率，t 为交流电的周期。变频调速就是改变逆变器输出交流电 压的周期，就可以改变交流电压的频率f o 所谓改变周期，实际上是在控制电路上采 用晶闸管，通过改变晶闸管的导通时间，实现交流电周期的改变。导通时间越短， 输出交流电压周期越短，频率越高。即从控制上，用改变晶闸管门极驱动信号的频 率控制逆变器输出电压的频率五，从而实现电动机工作速度的调节。 2 j 异步电动机的数学模型与仿真模型 用s i m u l i n k 对系统仿真并把实际系统的所有器件用相应模块来模拟，而只要 6 上海海事大学硕士学位论文 基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 将系统抽象成数学模型，因此。建模是以实际系统结构为依据，将实际系统用数学 模型代替，并按一定规律连接而成的过程。 根据交流电机原理1 9 】，异步电动机在两相静止坐标系下的电流一电压方程圆是： 墨+ k p 0 l p 0 l 芝墨芝pb + 0l 鸠p pl , p l e 2 讪 k以b + 鸠l 。 一m kl p一倒墨+ l , p l 由( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 构成了恒转矩负载下，口，坐标系的异步电动机的数学模型。 将( 2 - 1 ) 进行变换，以适用于m a t l a b 来构建仿真模型，得到p 。，p l ，j p 屯：p i f 2 的 方程【3 】： p 0 = ( 。一e 一n k p ：) ( 2 4 ) p i p i = ( u p l 一r i 脚一k p i p 2 ) t ( 2 - 5 ) p 屯2 = ( _ k p i k & 吆l r ，屯2 一l 。c o l 口2 ) ( 2 6 ) p 略2 = ( k m 乞l k p i + n 吃：一墨：) ( 2 - - 7 ) 由以上4 个方程和( 2 2 ) 的电磁转矩方程构成了恒转矩负载下的口、口坐标系下 的异步电动机仿真模型的五个子模块如图2 3 。 0 模块图 7 上海海事人学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 屯2 模块图 - 模块图 2 模块图 输出转矩模块图 图2 3 异步电动机仿真模型的五个子模块 8 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 2 4 系统模型分析及参数设置 ( 1 ) 输入给定：s t e p 模块，它内部属性设为：零时刻输出0 5 ，一秒时跳变为0 7 5 。 即系统运行到秒钟时输入信号由o 5 阶跃上升为0 7 5 。其目的是观察给定变化对输 出的影响。实际系统中的给定积分器起软起动作用避免起动时对系统的冲击，在仿 真系统中则可忽略这个问题，可将给定积分器省略。s t e p 模块的输出作为系统的频 率信号。 ( 2 ) 函数发生器：v o 模块和i n 模块构成了函数发生器v o 模块起低速补偿作用。 当系统运行在较低转速时将给定信号抬高0 1 ；m 模块将基频信号幅值限制为l 。当 输入信号大于l 时，m 模块限幅输出l 。m 模块的输出作为系统的电压信号，因此给定 信号的改变同时改变了频率、电压信号，满足恒压频比的控制方式，同时m 模块的 限幅输出保证了基频以上电压恒定的控制方式。 ( 3 ) s p w m 波形发生器：图中p w ms o u r c e 模块是用来产生s p w m 波形的该模 块是一封装的子系统，其内部结构如图2 4 。 图2 4 删s o u r c e 子系统 子系统的频率输入信号f ( p u ) 乘上w b 后得到正弦波的角频率w 。再与c l o c k 模块提 供的时间变量相乘得n 8t 输入三相正弦波发生器( s i n 运算模块) ；子系统的电压输 入信号m ( p u ) 直接输入s i n 模块作为正弦波的幅值。s i n 模块的输出即调制后的三相 正弦波与三角波发生器( t r i a n g u l a rw a v e 模块) 的输出比较放大后得到系统所需的 s p w m 波。三角波频率不变所以是异步调制方式。在本系统中。w b 设为2 万6 0 。 故三相正弦波角频率为0 5 x w h ，一秒后变为0 7 5 x w b 幅值由0 5 变为o 7 5 ；三角 波频率设为2 0 0 0 h z 幅值为l 。实际系统中，s p w m 波要送入驱动电路经过整形， 9 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 放大。隔离后产生脉冲驱动逆变器中的全控型功率器件，最后逆变器输出作为交流 电动机的电源。在仿真系统中这一环节可以省略我们可以直接将生成的s p w m 波 ( 幅值设为i ) 乘上一系数2 2 0 j 后送入电动机模型而不必考虑驱动电路和逆变 器因为仿真过程中没有电压、电流的概念。而是以纯粹的数字来体现的电压电流。 由以上的各个子模块的仿真模型可得出异步电动机仿真模型的模块如图2 5 所 示。 图2 5 异步电动机仿真模型 2 5 电动机变频调速的机械特性 起重机械各部分的拖动系统，一般都需要调速，在变频调速问世之前，已经发 明了许多调速方法，获得了广泛的应用。例如：增大或改变转子回路内电阻的调速、 电磁调速电动机等等。比较常见的是采用绕线转子异步电动机，调速方法是通过滑 环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控 制了转速。 万= n o 一七( 兄+ 墨) r ( 2 8 ) 式中n 一电动机的输出转速； 电动机理想空载转速； k - 一比例系数： 冠电枢电阻； 冠回路内串电阻； 1 _ 一电枢电流切割磁力线所产生的电磁转矩。 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 。h 。 h i o 图2 6 内阻对机械特性的影响 从图2 6 不难发现，由于回路内部串电阻的存在，其电动机的机械特性变软， 输出速度降低；而机械特性越软，电动机的负载能力越差。 电动机采用交频调速，一方面可以实现节能，另一方面可以保持较硬的机械特 性，负载能力较好。下面就起升过程中的电动机工作状态说明变频调速对机械特性 的影响情况。 ( 1 ) 重物起吊上升时，其旋转方向与电枢电流产生的转矩方向相同，即电动机 受正向转矩作用，其机械特性在第l 象限，如图2 7 中曲线和所示，工作点a 点，转速为； n ?i f 锤一一o m l n b 。瑚 i i i j 上j 0 t t 。 t ， 图2 7 起吊重物时工作状态图 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线 了，工作点由a 点跳变至a 、点，进入第二象限，其转矩变为反方向的制动转矩， 使转速短时下降，并重新进入第一象限，至b 点时，又处于稳定运行状态，b 点便 是频率降低后的新的工作点，这时，转速已降为。 ( 2 ) 空钩( 包括轻载) 下降时，吊钩自身是不能下降的，必须由电动机反向运 行来实现。此时电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第三象限，如图 2 8 中之曲线，工作点为c 点，转速为n s ； n n -1 ，h ， - r 炔 门 一九 ) 图2 8 空钩或轻载时工作状态图 当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线、 工作点由c 点跳变至c 、点，进入第四象限，其转矩变为正方向，以阻止吊钩下降， 所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并重新进入第三象限，至d 点时，又处于 稳定运行状态，d 点便是频率降低后的新的工作点，这时，转速为。 ( 3 ) 重载下降时，重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转方向是反转( 下 降) 的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其机械特性如图2 9 的 曲线所示，工作点为e 点，转速为 。这时，电动机的作用是防止重物由于重力 加速度的原因而不断加速、达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩 将阻碍重物下降，故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。 1 2 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 1 n t o r ；t t ， t l 、 n ? l ) 图2 9 重载下降时工作状态图 2 6 电动机变频调速与原拖动系统调速的机械特性比较 ( 1 ) 重物上升时，两种调速方式其机械特性都在第一象限，如图2 1 0 所示，曲 线表示变频调速时的机械特性，转速为，l i 。曲线表示通过转子电路串入电阻来 实现调速时的机械特性，即电压调速。从c 两条曲线可以看出，工作点由a 点对应 a 、点，电动机的转矩大为减小拖动系统因带不动负载而减速，直至到达b 点时，电 动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至b 点，转速为降，负载能力相对 于变频调速变化明显。 1 n l戴、 n t ， 尺l r 。一弋 r 栖谗一 亿| 。： c n - 图2 1 0 电动机调速机械特性图 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 ( 2 ) 轻载下降时两种调速方式其工作特点与重物上升时相同，只是转矩和转速 都是负的，机械特性在第三象限，如图2 9 的曲线和曲线所示。 ( 3 ) 重载下降时，原拖动系统的电动机从接法上说，是正方向的，产生的转矩 也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如曲线所示。 这时，电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由 于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的 延伸线上，如图中e 点所示，这时，转速为m 。这种工作状态的特点是：电动机的 转矩是正的、却被重物“倒拉”着反转。解决这种现象的途径只能是选择较大的功率， 这无形便增加了设备成本。与变频调速方式( 如图2 8 所示) 相比较，在重载下降 时，两种调速方法的工作点都在第四象限，但电动机的工作状态是不同的。 2 7 本章小结 本章是实现异步电动机在s i m u l i n k 模块下的s p w m 变频调速系统的仿真模 型，通过对仿真环境、原理以及电动机的数学模型转化为物理模型，建立出异步电 动机基于s p w m 的变频调速的仿真模型，从而为本文的总体仿真提供了前提与基础。 介绍了在起升机构各个阶段电机的机械特性，并通过同切换电阻调速方式的对 比，得出了变频调速方式在机械特性方面的优点。 1 4 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 第三章力学模型的建立 3 1 起重机械的组成及负载特点 3 1 1 起重机械的组成 起重机械的种类很多，其拖动系统的差异也较大，但基本特点则大同小异。为 实现起重机不同运动要求，最基本的工作机构有以下四种：即起升机构、变幅机构、 行走机构和回转机构。起升机构是主要的功能机构，其正反转工作变换比较频繁， 而且每次的起吊重量差别比较大，但工作时各类机构都属于恒转矩负载。起重机械 的起升机构主要由电动机、减速器、卷筒等部分组成，如图3 1 所示。其作用可将 原动机的旋转运动转变为吊钩的垂直升降运动，实现吊具垂直升降的目的功能不可 缺少的部分。 本文的实验对象是本学院的起升实验台，该起升实验台的起升机构为单卷吊钩 型，控制方式为s p w m 调速方式。其布置简图如3 1 所示。 图3 1 起升机构布置图 其中各个数字代表内容分别为： l 一异步电动机2 _ 橡胶轮胎弹性联轴器 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 3 一液压推杆制动器 5 一卷筒 7 一钢丝绳 3 1 2 起重机械的负载特点 4 圆柱齿轮减速器 “钓钩 由于重物在空中具有位能，重物上升时，是电动机克服各种阻力( 包括重物的 重力、摩擦阻力等) 而做功，属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重 力加速度下降的能力( 位能) ，因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，电 动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦 阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。为使重物在空中停止在某 一位置，在起升机构中还必须设置制动器和停止器等控制部件。为了适应不同吊重 对作业速度的不同要求，起升速度应能调节，并具有良好的微动控制性能。微动速 度一般在0 2 5 o 4 m r a i n 范围。通过对起升机构分析不难发现，其工作中的主要 有三种转矩【】6 】： ( 1 ) 电动机的转矩t m ，即由电动机产生的转矩是主动转矩，其方向可正可负； ( 2 ) 重力转矩t g ，即由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊 钩等的复合重量g 与卷筒半径r 的乘积： t g = g r ( 3 1 ) t g 的方向永远是向下的。 ( 3 ) 摩擦转矩瓦，即由于减速机构的传动比较大，减速机构的摩擦转矩( 包括 其他损失转矩) 不可忽视。摩擦转矩的特点是，其方向永远与运动方向相反。 3 2 计算假定 为了建立起升机构的等效扭振系统并保证等效系统与实际工作机构具有相同的 性能，首先应将复杂的系统进行适当的去粗取精，即抓住主要矛盾，略去次要因素， 进行合理的简化。为此应先进行计算假定。 1 与货重相比，钢丝绳的质量小得多，因此在计算中不考虑钢丝绳的质量， 而将其抽象为只有弹性而无质量的单元，且认为钢丝绳具有线弹性； 2 在起升和下降过程中，忽略钢丝绳悬挂长度的变化【1 7 1 ； 3 由于机构其余零部件的阻尼对振动的影响与联轴器、钢丝绳相比要小得 多，因此简化时只考虑联轴器阻尼以及钢丝绳阻尼； 4 由于齿轮间隙而产生的动载不考虑，这一方面是由于高质量的减速器其工 1 6 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 作间隙小，且为硬齿面，其磨损很小，所产生振动是很小的，另一方面本文主要研 究高速轴的动态响应，低速轴动载对其影响不大2 。 3 3 力学模型及等效系统的建立 3 3 1 力学模型 先看如下多自由度的力学模型： 3 3 2 等效扭振系统 图3 2 多自由度的力学模型 卜 工。 工t 根据文献 2 2 1 ，为了使转化后的等效扭振系统能够代表转化前的实际扭振系统的 扭振特性，应满足两个要求： 第一，两系统的固有频率应相等； 第二，两系统的振型应相似。 因此，通过按以下方法建立等效扭振系统。 ( 1 ) 对于具有较大转动惯量的旋转对称件将其轴线中心点作为质量集中点，如 制动轮、齿轮等即属此类； ( 2 ) 对于连接两个集中质量轴的转动惯量，可以平均地分配到相应的集中质量 上： ( 3 ) 对于联轴器类零件，可将其分为两部分考虑，即一部分质量加到主动部 1 7 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 分的质量上。另一部分加到从动部分的质量上，其刚度可作为主、从动部分的连接 刚度考虑： ( 4 ) 两相邻质量中点问连接轴的刚度即为该两集中质量间的刚度值，而转动 惯量大的零件所具有的刚度值也应以集中质量点为界，分配在其两侧的连接轴上； ( 5 ) 由于齿轮承受负荷后其弯曲变形很小，因而可忽略其弹簧刚度，并可把各 级传动齿轮的转动惯量按照传动比关系换算到主动小齿轮轴上，也即把该轮系的质 量视为集中质量。 根据上述要求和方法，该扭振系统的等效系统如图3 3 所示： m r - - p 3 4 本章小结 蜀 厶 局 v 、，_ 一 - - - 、 产一 酲l 厶 卦一乎一 c lq 图3 3 等效扭振系统 m z - - - 一 本章主要介绍了起生机构的结构，建立起升机构等效扭振系统并保证等效系统 与实际工作机构具有相同的性能，首先将复杂的系统进行适当的去粗取精，即抓住 主要矛盾，略去次要因素，进行合理的简化。为此先进行计算假定。也就是说把多 自由度多质量体系转变为三质量二自由度等效扭振系统，为下面建立物理模型提供 了前提。 1 8 上海海事大学硕士学位论文基于s i m u l i n k 的变频调速起升机构动载的研究 第四章起升机构运动分析和微分方程的建立 4 1 运动分析 起升机构是短暂重复工作制运行的机构，在一个工作循环中通常包括货物离地 起升，起升制动、货物下降及下降制动阶段，在各个不同的阶段中，功率的流向是 不同的，因此作为动力源的电动机的驱动力矩也不同，各阶段动载响应过程也就有 着很大的区别，为了了解动载的变化过程，必须将这一循环的不同阶段分别考察。 4 1 1 起升预备阶段 在变频调速方式中，为了消除各传动零件之间的间隙以及使松弛的钢丝绳张紧， 通常在控制线路中均设置有预备档，之后再逐级切换频率起动。 虽然此时电动机定子电压已加上，转子发出驱动力矩，且制动器推动装置同时 接电，但由于其滞后作用，并未使制动器立刻松闸，此时，使产生扭转振动的系统 具有转动惯量j l 的单质量系统，稍后制动器逐渐打开，电动机作空载加速运动( 因 为此钢丝绳并未紧张) 。这一阶段系统虽有振动，但一般不会出现最大载荷，因此系 统近似为刚体运动，但此运动阶段结束时，系统的运动参数即为系统下一阶段的初 始条件。 4 1