（机械电子工程专业论文）液压速率伺服控制及变频调速控制动特性分析研究.pdf

1 _ 太原理i ：人学毕业论文川纸 f 3 7 3 1 8 ：j 摘要 l 交流变频调速技术是当前国内外最活跃的研究领域之一液压伺服 调基系统作为成熟的调速系统甲- 已被j “泛利用丫丢文在介纠交流变频调 调速系统作为成熟的调速系统甲- 已被广泛利用1 本文在介纠交流变频调 速和液压系统建模的基础上，针对调速系统的动态特性，进行了理论分 析和实验研究。以阀控液压马达调速系统和交流变频调速系统为例，建 立了它们的物理模型，设计、安装、调试了实验系统。为研究两种调速 系统提供了理论根据和实验基础。文章详细分析了系统的动特性并进行 了比较。 最后，在总结全文的基础上，作者提出了在考虑调速系统动特性领 域内，液压伺服调速系统仍然占优的结论，但在小功率和中高速调速中 交流变频调速已现显出了良好的优越性是未来的发展方向。 主题词：交流变频调速液压伺服系统 a 原理1 人学毕业论文川纸 一一 a b s t r a c t a l t e r n a t i v ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo f t h em o s ta c t i v er e s e a r c h s p h e r e s a l lo v e rt h ew o r l d r e c e n t l y h y d r a u l i c s e r v ov e l o c i t yc o n t r o l s y s t e ma sam a t u r es y s t e mh a sa l r e a d yb e e nu s e d e x t e n s i v e l y i n t h ea r t i c l eb a s e do n i n t r o d u c i n g a l t e r n a t i v e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n v e l o c i t y c o n t r o l s y s t e m a n d h y d r a u l i cs y s t e m sm o d e l i n g a n a l y z e d a n dr e s e a r c h e dt h ea c t i v ec h a r a c t e r i s t i co f v e l o c i t y c o n t r o s y s t e m a sa ne x a m p l eo fv a l v ec o n t r o lh y d r a u l i cm o t o rv e l o c i t yc o n t r o s y s t e ma n da l t e r n a t i v ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m ，t h e a r t i c l ec o n s t i t u t e dt h e i r p h y s i c a lm o d e l ，a st h e s a m et i m e e x p e r i m e n t s y s t e mw a sd e s i g n e d ，e q u i p p e da n dd e b u g g e d t h er e s u l tc a nb eu s e df o r s t u d yt h e s ev e l o c i t yc o n t r o ls y s t e m t h ea r t i c l ep a r t i c u l a ra n a l y z es y s t e m s a c t i v ec h a r a c t e r i s t i c ，a to n et i m ed oc o m p a r e nt h ee n d ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e sa n ds u g g e s t st h et h e s i s ，p o i n t so u t a tc o n s i d e r e dt h ea c t i v ec h a r a c t e r i s t i c h y d r a u l i cs e r v ov e l o c i t y c o n t r o s y s t e mh a sa d v a n t a g e ，b u ti ns m a l lp o w e rs y s t e ma n dh i g hs p e e ds y s t e m a l t e r n a t i v e f r e q u e n c y c o n v e r s i o n v e l o c i t y c o n t r o l s y s t e m h a s p r e s e n t e d a p p r e c i a t e ds u p e r i o r i t yi n t e n d i n gd e v e l o p m e n ta s p e c t k e y w o r d ： a l t e r n a t i v ef r e q u e n c yc o n v e r s i o nv e l o c i t yc o n t r o h y d r a u l i cs e r v ov e i o c i t yc o n t r o ls y s t e m 、 太原理i ：人学毕业论文州纸第1 页 第一章绪论 1 1液压凋速回路的现状 对 ：任何液压传动系统米说，调速同路都是它的核心部分。常川的凋速 方式有杠流凋速、容积调速和1 7 流容积调速二人类。随着人f f _ j 对系统特性要 求的提高承i 对能源利h f i 勺重视，液压传动系统有了新的发展。近儿年米，人 们对同路的研究不断深入，主要有以f j d 种。 1 压力匹配同路 住压力匹配液压同路中，液压泵的j ：作压力不是由通常的定压溢流阀控 制的，而是由定筹溢流阀控制的。在该同路中，溢流阀不仅将多余的油液排 同油箱，而且更重要的作h j 是用作节流阀的压力补偿阀，保证在负载变化时， 诲流阀进出口压力差为定值l l 】。 2 、二次调。肖系统 图1 1 压力匹配回路 幽1 2 次级调节转速控制原理图 ：次调：1 ，静液传动技术是德国国防f 业火学h wn i k o l a u s 教授丁1 9 7 7 太原理1 1 人；毕业论文) j 纸 第2 页 年片先捉的。种液爪传动技术。在次级渊1 i 系统r t ，。液仆变蹦- 达泉( 称 为次级冗) i ) ( i 别j 以往的流村耦i | _ ) 系统，“垃连，lj i , j 耦蛾刚络一t ，没订 1 ，流蒯损火，而l 枉：负载r 可以直接进行转速、转角、抓矩和功率的凋1 7 ： 蜓为永要的是，液k 蓄能器 ：网络中小仪起剑了恒定系统压力的f 1 川，而1 l 作为蓄能元什，能够同收并重新利h j 系统的制动动能和重力势能。所以， 次级调技术显并的提高了系统的效率，是一种很好的液压能耸传递形式， 它发扦了系统输出区的滞力，在控制上也具有显著的特点。 3 、负载敏感系统 针对阀控电液控制系统有较大能量损失的不足，70 年代初，在恒压变 最泵发展的基础上，出现了功率适应系统。功率适应系统主要通过一个功率 泵米控制。此泵是在恒压泵的基础上，加上一个负载敏感阀，米调。书泵的排 鼙，达到恒流量调节的目的。这种系统不仅避免了溢流损失，从而比节流阀 调速系统节约能量，而且在设置负载选择网络以后可用于多负载并联工况。 此种方式得到了各国学者的普遍重视，自70 年代得到了广泛的研究，至今 已比较成熟。但该系统也存在一些缺点 33 如： 主管道仍有附加：肖流损失。 尽管在单一负载下，它的效率很接近闭式容积传动系统，但是，在多个 变化较人的负载并联的工况下，由于只能与最大负载相适应，效率将大大下 降。 在负载离油源较远的情况下，细长的负载压力反馈管道可能会引起不稳 定。冈此，功率适应泵和负载敏感阀需经过仔细的动态设计，只能配套使用。 从而使元件的互换型较筹。即，选瑚某个公司的功率适应泵，而又选埘了另一 个公司的负载敏感阀，尽管规格相同，元件合格，组成的系统却可能失效。 4 、麻川p l q 比例复合泵的电液系统 采川f | j ；| 泵结合的负载敏感控制原理，尽管可以消除麻h j 定量泵与比例阀 所宵的与流苗有关的能姑损火，但冈比例j ，流阀存在i 吲定的i 千1 “雁萍，仍存 、较人的1 ，流损火、特别是在高速阶段这一损火就很人。消除这一部分能 查坚些l ：叁二兰望、业堡壅型堑 丝! 墨 苗损火n 勺方法是廊_ l j 压力、流b 的l 刊妾| = d j 环控制的高响应变甘杂作为动力源。 该系统最人的优势就是不存扫+ f r 何与流苗、压力= f ：火的能最损火“。 5 、定龄泵加变频调速电机电液系统 图1 3 变频容积调速回路 为了进一步降低能耗、减少噪声，可用转速可调的电动机驱动液压泵作 为动力源。变频调速传动是现代电气传动的主要发展方向之一，交流异步电 机变频调速系统，具有结构简单、坚固耐用、工作效率高等优点。传统的液 压容积调速雏改变液压泵或液压马达的排量来调节系统的输出流餐，从而达 到控制执行元1 ，| ：运动速度的目的。特别是在对执行元件运动速度要求较高的 场合，需采用伺服变量机构，对油液精度要求高，机械机构及控制系统复杂。 如果采用交流变频调速和液压容积调速组合的交流变频容积调速网路 则可以把二者的优点结合在一起，这种调速回路的特点是：调速范围宽、分 辨率高、：宵能性好、抗污染能力强、易于实现计算机控制等”1 。但目前成本 较高。 1 2 通_ l j 变频器的发展 通州变频器的发展历史并不k ，但发展速度却很快。电力电子技术、微 电子技术和现代控制理论的综合运_ l 的结果，使通州变频器的性能日新月异。 特别是通州变频器的全数字化控制技术，在提高其性能方面起到了举足轻重 的f 1 _ l j 。存不太长的一个时期l j ，全数字化的进稃经历了由8 化c p u 刨1 6 太原理j ：人。7 毕业论文 j 纸第4 贝 位c p u 乃至3 2 何c p u 的卓育成效的转变。 前 j ：延 j ：的单片机什始u 化 r 爿：近彳的3 2 位d s p ，与i 6 传c p u 相比较，延锋速度一卜r 提高 r5 0 倍。 以前采川模拟控制，j 式所不能想象的控制功能， i ：软州的支持f 轻m 易j f 的 实现了。t i 珏j j 变频器的眺能不断提高，功能h ：断定实、增越。新- - 代的( ， 控制变频器已经实现了转矩控制功能，具有无跳训能力。由这种变频器驱动 的通_ l j 异步电动机可以像直流电动机一样可以人为地设定其极限输山转矩。 微型计算机适时快速地完成复杂的，人姑控制的控制算法，使欠型控制变频器 的通_ l i 化迈开可喜的一步。异步电动机的欠培控制，住动态定能方面已经赶 上或超过了直流调速系统。 就通州变频器的产品看，到目前为i r ，在世界范闸内人体有三代。第一 代是 l 竿通功能型u 厂控制通州变频器，笫2 2 代是高功能型u 厂控制通州变 频器，第三代是高性能型矢量控制通用变频器，第一代不具有转矩控制功能， 属一般型的u f 控制方式。第二代具有转矩控制功能，有无跳闸能力。输山 静态转矩特性较第一代有很人改进，机械特性硬度高于1 ：频电网供电的异步 i 乜动机。第三代是高动态性能型矢量控制的通_ l j 变频器。 就交流变频调速的动态响应特性以翻fj 子公司的s i m o v e r t 一一p 6 s e 3 5 1 3 6 ( b j t ) 6 s c 3 6 3 7 ( g t o ) 通用变频器为例1 6 l 。用它组成的失量控制 调速装置，可以精确地没定和调节电动机的转矩，亦可实现对转矩的限幅控 制。因而性能较高，受电动机参数变化的影响较小。 当调速范围不大，在1 ：1 0 速度范围内。常采用无速度传感器方式：当 调速范同较大，即在极低的转速下也要求具有高动态性能和高转速精度时， 才需要有速度传感器方式。 无速度传感器的矢龄控制的速度调节方式，这是对异步电动机进行单电 动机传动的典型模式。主要性能如下： ( ”在1 ：1 0 的速度范围内，速度精度 o 5 ； ( 2 ) 在1 ：1 0 的速度范围内，转速上升时间 l ：1 0 0 ；( 3 ) 对口j 环控制而毛转速j ：升时间 时， q = k ( p l 一匕) ( 2 _ 一) ：式中为溢流系数。 2 3 3 伺服阀 电液伺服阀既是电液转换元件，又是功率放大元件。它能够将小功率的 电信号输入转换为大功率的液压能( 流量与压力) 输出。在电液伺服系统中， 将电气部分与液压部分连接起来，实现电液信号的转换预放大。电液伺服阀 是电液伺服系统的核心，它的性能真接影响乃至决定整个系统的性能。 电液伺服阀的类型和结构很多，但都是由电气机械转换装置和液压放大 器所构成。 查堕墨! ：二兰兰! ! 堡奎型堑 丝! ! 墨 图2 2四边滑阀结构示意图 ( 1 ) 滑阀压力一流量方程的一般表达式： 如图( 2 2 ) 所示四边滑阀，在推导压力流量方程时，作以r 殴 定： 1 液压能源是理想的。对恒油源供油压力p ，为常数；对恒流源供油流 量q 为常数。这个假定与实际情况基本相符。另外，假定回油压力p o 为零， 若不为零，则把p ，看成是供油压力与回油压力之差。 2 忽略管道和阀腔内的压力损失。冈为管道和阀腔内的压力损火与阀口 处的节流损失相比是很小的，所以可以忽略不计。 3 假定液体是不可压缩的。因为考虑的是稳态情况，液体密度的变化量 很小，可以忽略不计。 4 假定阀各节流1 ：3 的流量系数相等。 根据桥路的压力平衡可得： p l + p 42 p ， p 2 + p 3 。p ， p l p 25 p p 3 一p 42p l 根据桥路的流姑平衡可得 太原理1 ：人学毕、l k 论文川纸 第1 6 页 q + q ：= q q ，+ q 。= q ， q 。一q = q ， q 2 + q 3 = q ， 最后可写山各桥的流姑方程 外c d 州、犀p 。 vp q 2 - c 以降p ： vp q 3 - c d 州、阵见 vp q ：c d 叫，b p 4 vp 在流量系数c d 和液体密度p 一定时，它随节流口开口面积变化，即是阀 芯位移x 的函数，其变化规律取决于节流口的几何形状。对于匹配且对称的 阀，有q ，：q 3 ，q 2 = q 4 ，p 。= a ，将其与式( 2 3 5 ) 联立解得： p = 丝兰 胪半 在恒压源的情况下可求得负载流量： 瓯屯x a 盯( p , - p l ) 屯x a 函i 2 3 4 液压马达及负载 液压马达也是一种能鼙转换装置，它把输来油液的压力能转换成机械能。 为推导其数学模型首先要列弓基本方程，即马达流量连续方程和液压马达一 负载的转矩平衡方程。 太原理：1 人。学毕业论文川纸 第17 口i 在列弓液压马达流量连续方科h , 1 ，f 1 以r 假设：阀t ，i 边f 内连接铃t 道对 称而且粗，可以忽略管道内的磨擦损火和管路动态；在管道内和! l j 厶腔内小 会出现饱和或空穴现象；在每个管道和马达腔内各点压力相同，濡度平密度 均为常数；液压马达内、外泄漏均为层流流动。 根据流姑连续性，可弓出每个马达腔的连续性方科为： 式中 q l 流入液压马达的流茸；q 2 一流山液压马达的流鼙；p ，一液压 马达进油腔压力；p ，液压马达回油腔乐力；c 。液压马达内部泄渊系数； e ，一液压马达外部泄漏系数；屈一系统的有效体积弹性模数( 包括液体、连 接管道和工作腔体的机械柔度) ；k 一液压马达进油侧由阀到马达腔的总容 积；k 一液压马达同油侧由阀到马达腔的总容积。 液压马达两腔的容积可表示为 k = v o + a v ( 先) 砭= v o 一6 v ( o 。) 式中k 一每个液压马达腔的平均容积；a v ( 既) 一液压马达有效l ：作容 积，它随液压马达转角吼而变化。 如果忽略液压马达有效工作容腔变化的不均匀性，则随着轴角位移变化 的体积增力日或减小的速率就是液压马达的理论排量 即：d 卅= 竺净 ( 2 3 1 3 ) 冈此有： 盟=型盟=掣鲁哦鲁=一鲁(2-3-14)dt d td 8 。 m “i d ld t 将式( 2 3 1 3 ) 、( 2 3 1 4 ) 代入( 2 3 1 5 ) 然后将它们相减，得生1 负载流龄 盟加亟成 _ 一成心一展 盟讲坐出 = i j 砘 蜴 硎 一 f 岛 如 c p p 胁 一 c n c 5 i 巳 太原理1 人。学毕业论文州纸第1 8 页 p ，1 + 旦 “2 。 d ( p 1 一p 2 ) d t 考虑刮a v ( o 。) f m 式中，u m 和厶分别是定子相电压和定子频率的额定值。则 u = f ) 特性如图4 - - 2 所示： 图4 2 恒电压频率比控制时定子电压一定子频率特性 工 堕厶 = u 查垦堡l ! 叁竺兰些堡苎型堡 笙! ! ! ! 二b 乜动机带负载运行删，最终要求转甜z 平衡。考虑i 也机的l u 磁转矩( t j 由式( 4 2 1 2 ) 导出) 2 惑? l 。m 。、 筹吼c ”k 件，+ 红月， 2 ( 4 3 5 ) 由上式可知，在恒电压频率比控制f ，电磁转矩特性为t = f ( a ，六，) 。 对于某定子频率，t = 厂( 厶) 曲线如图4 3 j瓞= 0 图4 3 电磁转矩特性 由圈可见，出现晟人转矩时的颠覆转差率厶因定子的频率而不同。将 ( 4 _ 5 ) 式对 求导t 并令倒数等于0 ，可求得恒电压频率比控制卜 厶与厶的函数关系以及相应的最大转矩。 正m 与凡的函数关系为： f 一+ r ， o s m 一2 磊 耻鲥4 石 l 纠z , j 2 匿孟封扛两 ，j 一六 。l 翌彬 = 7 查堕望生! 二尘堂堂些堡兰! ! 堡 笙竺墨 ( 4 3 7 ) 如果以转f 旋转频率f ( 厂，= 一i ，) 为横坐标，则7 = f ( l ，) 曲线 如幽4 4 。其中在工= o5 0 h z 范嗣i , q 为恒电乐频率比控制，并且在 ：= 六= 5 0 h z 时，定子端电压达剑额定值。之后，定子端i h 。j f , 保持额定 值不蛮。 圈4 4 转矩特性曲线 由幽4 - - 4 可知，恒电压，频率比控制下，在低频区，转矩的最大值明显 降低。频率更低时，其起动转矩也明显降低。原因是随着定子频率的降低， 定子电压降低，定子电阻己不能忽略不计，因而引起气隙磁链显著降低。 ( 2 ) 运行方式 由于低频区起动转矩明显降低，恒电压频率比不适宜于低速大扭矩的负 载。当要求有大的起动转矩时，可采用电压补偿的办法，以提高低频时的转 矩。 电压频率比控制是一种频率( 转速) 的开环控制。在某一定子频率下， 当异步电机的负载变化时，电机的转速也必然随负载的变化而变化。所以并 不能对电机的转速进行精确的控制。 当要求以精确的转速进行控制时，可用速度检测器检出异步电机的转速 进行闭环控制。 4 3 2 转筹控制，运行方式与稳态运行特征 ( 1 ) 控制原理 太原理f ：人学毕业论文州纸 筇4 ii i 转筹控制是转子转芳频率的简称。它足通过占按或间接的方法控制，t 隙 磁通( 或磁链) 恒定，弭控制转子转筹频率已得剑所需的转矩特性的种控 制方法。转差控制是频率的闭环控制，即使在很低的定子频率时也能保证其 隙磁通恒定，从而使电机铁磁材料得剑从分利t l j ；而且，通过控制转斧频字 可以使异步电机获得他励直流电机那样的便特性或串励直流电机那样的软 特性。仿真框幽如图4 5 图4 5 系统仿真框图 在转差控制下，有恒磁通、恒转矩与恒电压、恒功率两种运行方式，在 i ：频以下为恒磁通、恒转矩运行方式在工频以上为恒电压、恒功率运行方式。 在这里，我们先定义几个式子。 e = r ，r ，+ ，脚“( m 。一工。l 。) ； ( 4 3 8 ) f = 国lr + “l 。r ，； ( 4 3 9 ) a = ( r ，e + 0 2 , d l 。f ) ( e 2 + f 2 ) ； ( 4 3 1 0 ) b = ( “l ，。e r ，f ( e 2 + f 2 ) ； ( 4 3 1 1 ) c = 一。m 。f ( e 2 + f 2 ) ； ( 4 3 1 2 ) d = 一“m , , o e ( e 2 + f2 ) ； ( 4 3 1 3 ) ( 2 ) 恒磁通、恒转矩运行方式 在气隙磁通恒定为额定值时，如果再使转著频率为恒定值，就可以使转 矩恒定。这种调节方式称为恒磁通、恒转矩运行方式。 丛堕里! ：叁堂生些堡壅塑堑蔓竺里 我们仍然重点考虑转矩特性，电磁转矩为： h ”，2 i 面2 翔2 式中：，。为励磁电流； 励磁电流，。为： ，。= ，。4 ( a 2 + b 2 + a c 万+ b 雨d ) 2 + ( a d 一- b c ) 2 ；( 4 - - 3 - - 1 5 ) 定子电流i 为励磁电流，。与转著频率a ，的函数而与定子频率正无关， 冈此，当转著频率六，给定时可以通过控制定子电流，。来控制励磁电流，。 具体地说，若令励磁电流为额定值f 。，对于某个给定的转差频率工，就有 一个相应的定子相电流j ，以此， 为基准值，检测定子电流的实际值进行 反馈控制，就能间接地使励磁电流保持为额定值，从而使气隙磁通恒定为额 定磁通将i _ = i j ，= 厶代入式( 4 3 1 6 ) 即可求得额定励磁电流i m 。 可见，恒磁通f ，转矩t 是与定子频率无关而仅仅决定于转差频率工f 的恒值。将上式对厶求导，并令争= o ，可以求得，。为恒值时的颠覆转 聊s 差率以及相应的晟火转矩。 颠覆转差频率 工m = 墨! ( 4 3 1 6 ) 2 x ( l 。一m ，。) 最大转矩为 = n 。，。2 丝塑： ( 4 3 1 7 ) 2 ( l 。一。) 如果以转子旋转频率，为横坐标，则转矩特性t = ( ，”，) 如图4 - - 5 所示。 垄i ! 翌一 人学毕业论文州纸 第4 3 页 图4 6 转矩特性曲线 由上述可知，在恒磁通条件f ，颠覆转差频率是与定子频率无关的常数， 仅仅却决于转予的阻抗参数；最大转矩也是与定子频率无关的常数；在恒磁 通f ，最火转矩也是与定子频率无关的常数，最大转矩的包络线平行于横 轴。 ( 3 ) 恒电压、恒功率运行方式与稳态特征 在恒磁通、恒转矩运行方式下，如果转差频率恒定为额定值，则达到额 定定子频率时，逆变器输出电压将达到额定电压，电机的功率也将达到额定 功率。之后，如果要求继续扩大调速范围，则在额定频率以上，功率值和电 压值均不应超过其额定值。 根据恒电压、恒功率条件，可以确定转差频率与定子频率的函数关系 令电压u 。= u “，令有功功率p = 只，u 。、只分别为i ，= o 、z = 厶 时的u 和p 值，可得转差频率与定子频率的函数关系工，= ，( 五) 厶：挈-a2+4a22-4aia3 式中a = 2 n l ( m 。，。2 一三。三，。) 】2 + ( 上。r 。) ) 2 只- 3 r ，三2 u 。2 彳2 = 2 矾足，m ，r 0 2 ( 2 r ，只一3 u a , 2 ) 4 = 【( r ，r ，) 2 + ( 2 a f , l 。r ，) 2 】巴一3 r 。r r 2 u m 2 电磁转矩 垒坚堡i ：! i 三! 些堡塞型墨 笙! ! 要 2 2 矾，尺，m 、。，2 r ，r ，+ 4 z c 2 ：0 ( m ，m 2 一l 、。上。，) 】! + f 2 巧m r ，+ 2 刀i ，m r 】2 ( 4 3 1 9 ) 式中u 。= u 。= 2 2 0 v 为常数，= f ( a ) 对厶求导，并令导数为零，可求的恒电压条件r 的颠覆转矩及相应的 最人转矩 ，【r ， 2 1 五 电动机运行状态取“+ ”号；发电机运行状态取“一”号。 最大转矩为 m “2 面而瓦赢等等蒜瓦万瓣 ( 4 3 2 1 ) 由上述可知，在恒电压条件下颠覆转差频率与最大转矩都是定子频率 的函数，这与恒磁通运行时是不同的。 以上讨论了转差控制条件下恒磁通、恒转矩与恒电压，恒功率运行方式 及其稳态运行特性。对于要求起动转矩小的负载，为了平稳起动，必须降低 起动时的定子频率。有所要求的起动转矩不，可以决定出变频器应输出的最 低定子频率值厶。在恒电压、恒功率运行区，定子频率越高，颠覆转差频 率越人，而转矩摄人值则迅速降低。最大定子频率时的最大转矩值对实际运 用转矩值应有定的裕度，由此可决定出虽高定子频率正。晟高定子频率 还受转著频率工，。的限制，因为厶一过大，电机转子的温升降超过允许值。 ，。与厶决定了变频调速系统的晟大调速比。 在构造仿真系统时，根据所需原始数据( 原始数据在表5 1 中给山) 先 计算山e 、f 、a 、b 、c 、d 。再利用公式( 4 3 1 5 ) 计算出，。，然后按 公式( 4 3 1 4 ) 计算输出手f 矩t 以抖i 矩t 雨j 负载相连可得到负载转速。 查堕型! ：叁! 堂些堡苎型堡 堕箜鉴 4 3 3 久蟥控制 电压频率比控制虽然可以在低频区采取电压补偿的办法使磁通恒定，但 由丁频率的开环控制，无法控制输出转矩i 转筹控制虽然既可以控制磁通义 可以控制输出转矩，但是由丁转矩和磁通与转筹频率有关，所以无法实现磁 通和转矩的单独控制。另外，电压频率比控制时，被控量是定子电压有效 值和定子频率；转差控制时，被控量除定子电压有效值利定子频率还有转著 频率。定子电压有效值、定子频率以及转差频率都是具有平均值概念的鼙， 这两种控制方式都是在平均值意义上进行控制，因而。不能得到快速响应。 所以，电压频率比控制和转差控制还不能使异步电机变频调速系统获得象 直流电机那样的控制灵活性和良好的动态控制性能。 直流电动机之所以动态性能好，是由于在采用补偿绕组的条件f ，它的 电枢反应磁势对气隙磁通y ，没有影响，不考虑磁路饱和，磁通y m 正比与 励磁电流，。保持，。不变时电磁转矩丁和电枢电流，r 成正比- 影响电磁转 矩的控制量，。，和，是相互独立的，也可以说是自然解耦的。r 的变化并不 影响磁场，因此可以以控制电枢电流，去控制电磁转矩。所以响应速度快， 可获得理想的动态性能。 异步电机的久鼙控制就是把相当予直流电机换向器的功能通过控制的 方法来实现，从而达到磁通和转矩的单独控制，并且，它是对电压、电流以 及它们产生的磁势、磁链的瞬时值进行控制。 欠鼙控制的基本原理如下：用所要求的每极气隙磁通链y 确定电流 ，。，由气隙磁通链y m 和所要求的转矩t 的大小确定转子电流，r 然后再经 一系列的变换确定出所要的电流的瞬时值；再经过一次变换就可得到定子二 相电流的瞬时值，以该值作为的定子三相电流的给定值进行控制。j 。和，r 可 以单独调节，调节，。和，r 也就调节了三相电流瞬时值的给定值，这就使异 步电动机的控制就有良好的灵活性，并且由r 是瞬时值控制，所以具有良好 的动态性能。 太原理i ：人学毕业论文川纸 第4 6 页 第五章交流变频调速系统的仿真及实验研究 5 1 交流变频调速系统的仿真 根据第四章所给公式可知，计算所需的原始数据共有1 0 个，如表5 一i 所列。表中，除丘。决定与所要求的调速范嗣外，其他均可由电机的铭牌及 一般【乜机学中叙述的空载与堵转实验方法获得。 表5 1 ：实验所需原始数据 序名称符号( 单位)序名称符号( 单位) 号号 1定子每相电阻 r ，( q ) 6电机极对数 门口 2转子每相电阻r ( o )7额定电子频率 厶( h z ) ( 已折算到定 子侧) 3定子每相自感 l 。( h ) 8额定转差频率 正i 。( h z ) 4 转子每相自感l 。( h ) 9最大定子频率 以。( h z ) ( 己折算到定 子侧) 5激励电感( 已 m 。( h ) 1 0定子绕阻三角 ( a ) 或 折算)形连接式额定u ( v ) 相电流或额定 相电压 这里由于主要考虑起动特性及负载特性，变频调速系统中的电机擐终和 负载还是在扭矩一致时才能建立平衡，所以在构造仿真系统时，主要考虑扭 矩的平衡，而对其他方面，请如功率冈数，效率，定转子磁链等在仿真图中 不予考虑。 ! 塑堡：! ：叁堂兰些堡奎型堡 笙! ! 墨 由丁住人多数f 自况r ，交流变频凋速系统土要川ri ：频以r 的谰述，所 以在仿真图中术构造j ：频以上的恒电压、恒功率运行方式的系统。 实验变频凋速系统示意幽如图5 1 所示： 图5 1实验用变频调速系统示意图 在m a t l a b 中的交流变频调速系统图如图5 2 图5 2m a t l a b 中交流变频调速系统酗 5 2 实验分析： 变频调速实验的实验分析如下 仿真系统中变频器及电动机取参数如卜：定子每相电阻r s = 1 8 ( q ) ：转 子每相电阻r r = i 8 ( q ) ；定子每相自感l s o = o 1 0 0 9 7 ( h ) ；转子每相自感 l r o = 0 1 0 0 9 7 ( h ) ；激磁互感m s r o = 0 0 9 7 8 5 ( h ) ；电机极对数n = 2 ：定子额定频 太原理1 人学毕业论文川纸第4 8 贞 率f s n - 5 0 ( h z ) ；额定转斧频率f s l n = 1 6 6 ( h z ) ： 负载取参数如r ：b m ( 电动机平负载的粘性阻尼系数) = o 1 ：j ( 电动机 平| | 负载的总惯培) = o0 3 4 ( k g m 2 ) ；g ( 负载弹簧刚度) = o ： 变频调速实验的速度仿真结果如幽5 3 ；系统扭矩输出曲线如幽5 一： 图5 4 变频调速系统扭矩输出曲线 实测转速曲线如图5 5 ： 奎垦里! ：叁堂兰些笙奎塑堑 笙! ! 夏 n 1 日- ui i m - 鼻j d o a c i 。i l ：1 1 1 2 4w 啪60 8眦1 u _ n r k + h h ：，h f ，2 e + n “1 q “n q e ? 磊。 圜5 5 交流变频调速系统实测转速曲线( 2 0 h z ) 可以看出系统没有超调，但响应时间较长。 实测曲线中系统转速不稳这是因为电机气隙中存在基波磁势和一系列时 间谐波磁势，因而除基波转矩外，还产生一系列谐波转矩。谐波转矩对异步 电机的正常运行影响不大。然而，在基波频率很低的范围内，当换流频率过 低时，异步电动机的转矩会产生换流频率下的剧烈脉动。这种转矩脉动是由 于在两次换流之间转子电流的过分衰减造成的。特别是当传动系统的机械惯 量小时，这种转矩脉动会使电机的转速发生一连串的步进现象。但这种转速 不稳现象在高转速时得到了一定的抑制，图5 - - 6 给山了实测变频调速系统在 4 0 h z 条件下的系统空载响应，可以看出转速比低频时较稳。 ：1 a 日ub ：1 b 曩jn u c ：1l ：1 5 2 4t x ：- b i l l ；u x ：r k cp ： r i h e x ，h 8v u l - ： 一 ： n x 二! ：! ! ! ! ! ! 二! ! ! 二二! 二竺! ! ! ! ! 竺 一一+ ! 二! ! ! 塑! ! ! ! 图5 6实测系统4 0 h z 空载响应 图5 7 给出的是在4 0 h z 时系统加载时( 液压泵站调压至4 0 公斤) 响应。 奎垦望! ! 叁! ：望、业堡兰塑堑笙! ! 堕 n ：1 b 叫b ：1 。附 刖g ：b 1l ：1 8 2 , 4 t z , t ：日0 5 u x ：b 日r e cr r ： 日 h ，b r b h 5 ：+ 7 1 q s & 2 t ；| + 一r + t q q b 0 ：， 图5 7 实测系统4 0 h z 加载响应曲线 通过实验与仿真可以看出，在控制领域内，交流变频调速系统构造简单，使 h j 方便。能方便地进行调速，但是响应速度却不如液压系统。 电动机就电压一速度而言，基本上是个简单的滞后环节。而液压执行 器就速度而言，基本上是一个固有响应频率很高的的二阶振荡环节。其加速 能力较强。液压元件不存在电机中所山现的磁性材料饱和与损耗现象。而电 动机产生的力矩与电流成正比，其大小受磁性饱和的限制。液压执行器产生 的力矩与压差成正比，其大小只受安全应力值的限制。因而液压执行器能在 体积较小的情况f 产生较大的力矩。在表5 2 中还给出了交流一l ：、变频调速 f 系统的静态特性。 表5 - - 2 ：交流工、变频调速系统静态特性 氆压 压力 01 02 03 04 05 06 07 0 掰心 2 0 ( h 曲 4 9 74 9 54 9 44 9 44 9 34 9 14 9 04 8 8 4 0 ( h z ) 8 o l 8 o o 7 9 87 9 77 9 57 9 47 9 37 9 l 5 0 ( h z ) 1 0 01 0 0l o 09 9 69 9 49 9 29 9 l9 9 0 注：表中压力的单位为( 公斤) 即1 05 帕： 电压单位为伏( 已折算：工频5 0 h z 对应于1 0 伏电压) 。 叠蟹：蔓坚! 兰蹩苎璺璺一一一。一一一曼主立三墨 第六章绐论 本文遵过分辑渡匿系统及交流变颈调速系统，分剐建立了两释谪速系统 韵计算机仿真模型。经仿真缝累和实验结果抟科比可以看如+ 所建模鼙正确， 辨用物理参量，意义明确；通用性强。为以后的实验研究钉下了良好的基础。 出于渡琏控锄系统分辑的复杂性，因此缺乏并难子获得萋李襁t f 葶。鳓如 流过电隧的电流翅瞧一麓蕈啻智定律欧姆定律来描述。但是，帮没有一个简 雅韵公式来播述液陋与流羹之间的关系。这样憧撂历建模型的精确性受到7 娃一定的蹙到限制。 在敲实验的过程审大功率电健动装置对外界电千扰比较敏感，本身义容 易硪早扰源，存在骜避一步解决电磁兼容性的蠲题。 太原理l ：人学毕业论文川纸第5 3 贞 参考文献： l 官忠范液压传动系统 机械i 业出版丰十1 9 8 2 2 战兴群次级调。1 y 静液传动技术i ，能特性的研究 机床。液压1 9 9 9 ( i ) 4 1 4 2 3 吴根茂，邱敏秀，千庆丰等编薪实川电液比例技术浙江大学出版卒十 1 9 9 3 4 权龙注塑机电液控制系统节能及最新技术机床与液压1 9 9 9 ( 5 ) 6 7 5 千世明，李天石交流变频容积调速同路的特性和速度控制机床与液 压1 9 9 9 ( 5 )2 2 2 3 6s i m e n v o l t a g e - - s o u r c ed cl i n kc o n v e r t e r ss i m o v e r tpf o rv a r i a b l es p e e d a c d r i v e s c a t a l o gd a 6 6 2 ，】9 9 3 7 刘能宏，田树军液压系统动态特性数字仿真大连理工大学出版社 1 9 9 3 8 杜藏，骆源科学计算语言m a t l a b 简明教程南开大学出版社1 9 9 8 9 施目j 等编著m a t l a b 语言精要及动态仿真1 具s i m u l i n k 两北l 业大学出版社1 9 9 7 1 0 魏克新，王云亮，陈志敏编著m a t l a b 语言与自动控制系统设计 机 械工业出版杜1 9 9 7 l l 章宏甲，黄谊液压传动机械工业出版社 】9 9 2 1 2 王春行液压伺服控制系统机械工业出版社 1 9 8 1 1 3 【美】h e 梅里特 液压控制系统科学出版社 1 9 7 8 1 4 藏英杰，吴守缄交流电机的变频调速中国铁道出版社 1 9 8 4 1 5 满永奎，韩安荣，吴成东通用变频器及其应用机械工业出版社 1 9 9 5 1 6 王占奎等编著交流变频调速技术应_ f j 例集 科学出版社 1 9 9 4 1 7 钱祥生液压技术发展展望 液压气动与密封 2 0 0 0 ( 4 ) ：1 - 5 查! 璺三型：叁! ! | ! ：兰些堡壅塑堑 堑竺墨 i 8 川l f 明，曹刚，李人f i 交流变频容积凋速伺服系统的f n n 控制液 压t 动与密封1 9 9 9 ( 1 2 ) ：】8 也o 1 9 可意 流体技术雨i 电f 技术的结合与竞争液压气动与密封1 9 9 9 ( 2 ) ：j 8 2 0 姜洪洲，曾祥荣基r 神经网络的模糊控制器在变鼍泵中的戍h j 机床 与液压2 0 0 0 ( 3 ) ：1 6 1 7 2 i 贺云升，电液伺服系统的完整建模及变尺度多调整因子解析模糊控制 机床与液压2 0 0 0 ( 5 ) ：3 4 3 5 2 2 张培强m a t l a b 语言演草纸似的科学计算语言中国科技大学出 版社1 9 9 5 2 3 薛定宇控制系统计算机辅助设计m a t l a b 语言及应用清华大学 出版社1 9 9 6 2 4 马小亮大功率交交变频器调速及矢