（交通信息工程及控制专业论文）双电机硬轴传动变频调速及其功率平衡控制.pdf

摘要 随着工业的快速发展，人们对各种机械性能和产品质量的要求逐 渐提高。目前针对一台电机的控制在某些负载重且负载跨距大的场合 己经不能满足现代化工业发展的要求，需要人们控制多台电机同步传 动，使其更好地协调运行。硬轴联接电动机在大中型起重设备中应用 非常广泛，常见的龙门吊车、卷扬式启闭机、水闸等都是采用这种形 式。出于机械设计方面的原因，这类负载不宜采用单台电机驱动，往 往采用双电机在负载两侧独立驱动，为保证运行过程中转速同步，工 程上通常用一根刚性轴将两侧电动机联接起来。但是受材料、制造工 艺和制造精度等因素的影响，两台异步电机的参数不可能完全相等， 运行过程中容易因负载分配不平衡导致烧坏电机。因此，研究硬轴联 接双电机同步传动的理论和方法，对保证这类机械安全、可靠地同步 运转，具有十分重要的现实意义。 本文以水电站平板闸门的传动装置为背景，针对其两台电机刚性 联接的特点，对两台异步电机硬轴传动过程中的负载分配和功率平衡 问题进行了研究。论文从水电站闸门需要运行可靠、启停平稳、开度 控制准确入手，调研了双电机的研究现状。详细介绍了变频调速的发 展过程，分析了无速度传感器矢量控制、直接转矩控制的原理，对矢 量控制和直接转矩控制的转速转矩特性进行了分析。结合矢量控制调 速范围广、稳态误差小和直接转矩控制动态响应快的特点，将矢量控 制和直接转矩控制算法引入双电机同步传动中，提出了一种新的主从 控制方法：主电机采用矢量控制，转速和转矩双闭环，跟踪给定指令 速度；从电机速度开环，跟踪主电机转矩指令。由于传统的直接转矩 控制方法存在逆变器开关频率不固定，电流和转矩脉动大，低速性能 不好等缺点，论文中从电机采用了基于p i 的空间矢量调制 ( s v m d t c ) 方法，解决开关表中电压矢量有限的问题，同时解决 传统直接转矩控制固有的逆变器开关频率变化问题，使得电流和转矩 脉动变小，提高低速运行时的效果。通过仿真结果表明系统具有较好 的动静态性能，验证了本设计的合理性。 关键词：双电机，矢量控制，直接转矩控制，功率平衡 a bs t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , p e o p l eh a v em o r ea n dm o r e n e e dt oe v e r ym a c h i n ec a p a b i l i t ya n dp r o d u c tq u a l i t y n o w , i ns o m e o c c a s i o nw i t hh e a v ya n db i gs p a n n i n gf l a m el o a d ，o n l yc o n t r o lo n em o t o r c a n n o tm e e tt h en e e do fi n d u s t r ym o d e r n i z a t i o n ，b u tr e q u e s tp e o p l e c o n t r o lm u l t i m o t o r , m a k et h e mw o r kh a r m o n y m u l t i - m o t o rf i x e dj o i n t d r i v i n gs y s t e m sa r ew i d e l yu s e di nt h ef i e l do fh o i s t i n g ，s u c ha sl o n g m e n c r a n e ，w i n c hh o i s t ，s l u i c ea n ds oo n b e c a u s eo fd e s i g n i n go fm a c h i n e ， s u c hl o a da r en o ts u i t a b l yd r i v eo n l yb yo n em o t o r , b u tu s et w om o t o r st o d r i v eo nt w os i d e so ft h el o a d i no r d e rt ok e e ps p e e dt h es a m eo ft h et w o m o t o r sw h e nt h e ya r ew o r k i n g ，p e o p l eu s u a l l y c o u p l i n g t w om o t o r s t h r o u g har i g i da x i s o ne n g i n e e r b u tb yt h ei n f l u e n c e so fm a t e r i a l ， m a n u f a c t u r ec r a f t sa n dm a n u f a c t u r ep r e c i s i o n ，t w om o t o r s e l e c t r i c a l p a r a m e t e r sc a nn o tb ec o m p l e t e l ye q u a l t h i sw i l le a s i l yc o u r s et od e s t r o y m o t o rb yd i s t r i b u t i n gu n b a l a n c eo fl o a dt oe a c hm o t o rd u r i n gw o r k i n g s o r e s e a r c ht h et h e o r ya n dm e t h o d so fs y n c h r o n i z a t i o nd r i v i n go ff i x e dj o i n t t w om o t o r s ，h a sl a r g ea c t u a ls i g n i f i c a n c et oa s s u r i n gs a v ea n dr e l i a b l e w o r k i n go ft h i sm a c h i n e t h i sp a p e rt a k e sb a c k g r o u n do fd r i v i n ge q u i p m e n to fh y d r o p o w e r s t a t i o np l a n a rs l u i c e ，a i mt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ff i x e dj o i n tt w o m o t o r ， r e s e a r c h e dl o a dd i s t r i b u t i o na n dp o w e rb a l a n c eo ft w om o t o r sd u r i n g s y n c h r o n i z a t i o nd r i v i n g p a p e rs t a r ta tt h en e e do fw o r d i n gr e l i a b l e ，s t a r t a n ds t o ps t e a d y , o p e n i n gp r e c i s e n e s so ft h es l u i c e ，h a di n v e s t i g a t e dt h e r e s e a r c hs t a t u so ft w om o t o r s s y n c h r o n i z a t i o nd r i v i n g p r o d u c e d d e v e l o p m e n tp r o c e s sd e t a i lo fv a r i a b l e f r e q u e n c ys p e e dr e g u l a t i o n ， a n a l y z e dp r i n c i p l eo fs p e e ds e n s o r l e s sv e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u e c o n t r o l ，a n da n a l y z e dt h e i rm a c h i n ec a p a b i l i t y c o m b i n et h ea d v a n t a g eo f w i d e l ys p e e dr e g u l a t i o n ，s m a l ls t e a d y s t a t u se r r o ro fv e c t o rc o n t r o la n d f a s tr e s p o n s eo fd i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，t a k ev e c t o rc o n t r o la n dd i r e c t t o r q u ec o n t r o li n t os y n c h r o n i z a t i o nd r i v i n go ft w om o t o r s ，g i v ean o v e l h o s t - s l a v ec o n t r o lm e t h o d ：t h eh o s tm o t o rt a k ev e c t o rc o n t r o l ，s p e e da n d t o r q u ea r ec l o s e dl o o p ，t r a c k i n gt h eg i v i n gs p e e dv a l u e ；t h es l a v em o t o r s s p e e dl o o p i s o p e n ，t r a c k i n gh o s t m o t o r s t o r q u ev a l u e b e c a u s e t r a d i t i o n a ld i r e c tc o n t r o lm e t h o dh a sd i s a d v a n t a g eo fs w i t c hf r e q u e n c y n n o tf i x e do f i n v e a e r b i gp u l s a t i o no f c u r r e n ta n dt o r q u e ，b e dc a p a b i l i t yi n l o ws p e e da n ds oo n ，i nt h ep a p e r , s l a v em o t o rt a k et h em e t h o do fs p a c e v e c t o rm o d u l a t i o nb a s eo np i ，r e s o l v et h ep r o b l e mo fv o l t a g ev e c t o r a m o u n tl i m i ti ns w i s ht a b l e ，a tt h es a m et i m er e s o l v et h ep r o b l e mo f s w i t c hf r e q u e n c yn o tf i x e do fi n v e a e r ，m a k ep u l s a t i o no fc u r r e n ta n d t o r q u el o w e r , p r o v et h ec a p a b i l i t yi nl o ws p e e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t i n d i c a t e dt h es y s t e mh a sg o o ds t e a d ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，v e r i f i e d t h er a t i o n a l i t yo ft h i sd e s i g n k e yw o r d s ：t w om o t o r s ，v e c t o rc o n t r o l ，d i r e c tt o r q u ec o n t r o l ，p o w e r b a l a n c e i ! i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学 位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 作者签名：立三l 量一日期：泣写卫年月毕r 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作善躲曲直新签植吼4 吐月卑同 硕十学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 随着工业的快速发展，重载大系统在水利、冶命、起重等行业得到广泛的应 用，这类系统负载转矩大，单台电机难以满足要求，常用多台电机协调传动。在 我国，很大部分的水电站的泄洪闸门都采用平板闸门，一般有两个吊点，它的固 定启闭机采用电机一减速器一开式齿轮一卷筒的形式。为了保证工作门两个吊点 同步升降，两台减速器高速轴用刚性轴联结。随着我国水电开发不断进展，一方 面能建设高坝大库容水电站的资源点渐渐开发完毕，一方面基于减少移民搬迁和 有利于环境保护的考虑，梯级的低坝水电站建设越来越多。低坝径流式水电站由 于库容小，一般为不完全同调节水库。为了尽可能地提高水能利用率，各个梯级 水电站都必须很准确地调节上下游水位。因此，为了提高水位调节的准确性和减 轻运行人员的劳动强度，一些梯级水电站引进了水文调度专家系统。水文调度专 家系统能根据梯级水电站的水库各断面水位、入库流量、出库流量等各种数据自 动计算出水电站各泄洪闸门应处的丌度，并将开度命令送往闸门控制系统，自动 控制闸门的启闭。在这种情况下，作为这个系统最底层的闸门启闭传动装置，必 须保证运行可靠、启停平稳、开度控制准确，因此对电动机传动控制技术提出了 很高的要求。 电动机的启动控制有两种方式：一种为鼠笼式电动机直接启动方式；一种为 绕线式电动机串电阻启动方式。无论是上述哪一种启动方式，由于同步转速不可 调、转速受负荷干扰大、启动电流大，都存在启停冲击大、定位精度低、故障 率高的问题，无法满足水文调度专家系统的要求，因此泄洪闸门电动机需要新型 启动控制装置。这种启动控制装置应具有如下特性：低速时能输出较大转矩、能 根据不同的启闭丌度选择不同的转速、转速全程受控、运行稳定可靠，也可归结 为“运行可靠、启停平稳、定位准确”。根据目前的传动技术水平，有两种装置 可供选择，一种是直流传动控制装置，另一种是交流调速控制装置。 直流电机由于自身容量、价格、维护量和使用环境等原因，其应用受到一定 的限制。而近二三十年来交流调速技术的发展，交流调速不但具有原有的维护量 小、坚固耐用等优点，而且在静、动态性能上与直流调速也已不分上下【l l 。在这 种技术发展背景下，一些水电站的闸门传动采用了交流变频传动，选用了高性能 的矢量控制变频器，采取一拖二的方法。然而在实际应用中，两台电机的输出转 矩、电流、功率都存在一定的差别2 1 。因为矢量控制对电动机参数具有依赖性， 硕十学位论文 第一章绪论 经常在低速运行时，需要准确的电动机参数实现控制，不能够同时驱动多台电机。 这种参数差异引起的输出转矩、功率不一致容易导致两台电机负载分配不均，从 而烧毁电机。 在此背景下，研究一种新的平板闸门传动控制方案，使两台电机能准确跟踪 给定指令速度，全速范围内输出大转矩，且输出功率平衡，保证其底层的闸门传 动装置运行可靠、启停平稳、开度控制准确，使其能满足调度系统的要求具有一 定的实际意义。随着交流传动技术的不断完善，如何通过交流调速技术控制双电 机传动实现上述要求是本文需要解决的问题。 1 2 多电机传动的研究现状 机械系统的同步控制是机械技术、电力电子技术和信息技术有机结合的- - 1 3 新兴的跨学科的综合性科学技术。它的发展和其他相关技术的发展密切联系在一 起，主要的控制对象是电动机，主要控制参数是位移、速度和相位1 3 。5 j o 随着工业的发展，对各种机械性能和产品质量的要求逐渐提高，针对一台电 机的控制在某些场合己经不能满足现代高科技发展的要求，而要人们控制多台电 机，让其更好地协调运行。近年来，国内外的学者针对多电机同步技术展开了广 泛的研究工作，在理论和实践上都取得了一定的进展。 从驱动电机之自j 的联接关系来看一般可以分为三类：一类是各电机相互独 立，电机之间不存在物理联接；第二类是各电机间存在柔性的物理联接，如皮带 等，各电机的工作状态相互影响；第三类是两台电机之间硬轴联接，转速严格一 致。目前已有一些专家学者对双电机和多电机的同步传动方法进行了一定的研究 和总结。提出了基于同一给定电压的串、并联方法、基于补偿原理的控制方法睁7 l ( 差电流负反馈法和差速负反馈法等) 、基于现代控制理论的控制方法【眄j 和虚拟 总轴等。 差电流负反馈法和差速负反馈法主要针对无联接的双电机同步，对于每个电 机驱动器而言，输入指令是电流给定信号和差速( 差电流) 负反馈信号叠加之后的 复合信号。其中，作用于两个驱动器的差速负反馈信号大小相等，极性相反。在 动态过程中，若两台电机速度不同步，则将差速信号分别反馈到两电机的电流给 定端作为辅助输入，由于电流环的响应要比速度环的响应要快，因此将差速信号 引至电流给定处来抑制两电机转速的不同步。基于现代控制理论的控制方法如自 适应控制、模糊控制等解决了因参数变化而引起的速度同步问题，研究对象同样 是无联接的双电机同步。虚拟总轴方案模拟机械总轴的物理特性，具有与机械总 轴相似的固有同步特性和大容量的特点，系统拓扑结构灵活。但系统的主要性能 指标是各电机之间的同步，而不是电机与给定信号的同步在运行过程中。当系统 硕十学位论文第一章绪论 状态发生变化时，各电机的速度不能很好地与整个系统的给定信号同步，但能与 各电机的参考信号( 该信号是系统给定信号经过虚拟总轴作用后输出的信号) 很 好地同步。 两台电机由于制造的原因，参数不可能完全相等，且运行过程中，电机参数 也会发生差异。基于补偿原理的控制方法和基于现代控制理论的控制方法都较好 的解决了因参数不一致引起的两台电机的速度不同步问题。且后种方法较好地解 决了前一种方法中存在的启动速度滞后和偏差问题，抗干扰性较强。但是以上一 些方法主要针对无联接和柔性联接的同步传动方案，且主要针对速度同步问题。 柔性联接的双电机同步传动系统如印染机械等借助于各单元问的张力调节信号 来实现同步控制。控制目标是使各单元电动机协调同步，同时根据织物及工艺的 不同调整整个联合机的速度及各单元之间的转速比。 在刚性联接的双电机传动中，速度已经严格一致，需要解决的关键是负载均 衡分配。每台载荷分配是否合理，电机输出功率是否均衡是需要考虑的首要问题。 如果两台电机间的功率分配没有很好地得到解决，可能出现在拖动过程中一台过 载而另一台却负载不足，导致出现烧坏电机的情况。显然以上针对速度同步问题 的双电机同步传动方法不适合于基于刚性联接的双电机传动。 硬轴联接电动机在大中型起重设备中应用非常广泛，常见的龙门吊车、卷扬 机式启闭机、水闸等都是采用这种形式。它们的共同特点是负载重且负载跨距大， 例如闸门负载一般跨度都在l o r e 以上，其重量往往高达几十吨甚至数百吨。出 于机械设计方面的原因，这类负载不宜采用单台电机驱动，往往采用双电机在负 载两侧独立驱动，为保证运行过程中转速同步，工程上通常用一根刚性轴将两侧 电动机联接起来。 早期由于直流电机调速的优越性和交流调速的不可比拟性，采用两台直流电 机传动。为了使两台电机出力平衡，采用了基于同一给定电压的串、并联方法。 同一给定电压的串联方法将两电机的电枢串联，则两电机的电枢电流相等，由于 电机的转矩与电枢电流和磁通成j 下比，如果两电机的磁通也相等，则两电极所输 出的转矩也相等。该方法中通过调节励磁回路中的电阻使磁通相等。这种方法控 制简单，但仅适用于中小功率直流电机。因为供电装置的电压等级有限，一般为 8 0 0 v 以下，如果两电机串联，则每台电机的电压等级为供电装置电压等级的一 半，对于同功率的电机，电压下降一半，其电流必然上升一倍，势必增加供电装 置的容量。同一给定的电压并联方法是指两电机电枢并联供电，磁场串联供电。 由于磁场是串联供电的，保证了磁场电流相等。为了使两台电机的电枢电流相等， 采用主从控制方式，两台电机共用一个速度调节器，各有自己的电流调节器，来 保证两电机的电流相等。这两种方法较好的解决了两台直流电机输出功率平衡问 硕十学位论文第一章绪论 题。 随着电力电子技术以及电气控制技术的不断发展，交流调速性能已经完全可 以与直流调速媲美。由于直流电机自身的限制，难以推广，交流传动已经被普遍 采用。在硬联接的双电机同步传动中，为了减小起动电流，传动电机一般采用绕 线式异步电动机串电阻起动。这种方式是目前应用最为广泛的，虽然可以基本满 足传动需要，但仍存在不少问题。 ( 1 ) 串电阻调速属转差能耗制动型调速方式，电能损耗大。 ( 2 ) 绕线式异步电动机的机械特性软，造成系统的运行稳定性较差，特别是 起动时由于起动转矩不平衡造成机械冲击严重。 ( 3 ) 停机时电机无法低速停稳，只能在高速阶段靠机械抱闸完成，一方面闸 皮磨损严重，另一方面难以实现精确定位。 ( 4 ) 由于两侧电动机的输出转矩平衡性较差，特别是起、停阶段刚性轴承受 的机械冲击较大，故对刚性轴的强度要求较高，也增加了刚性轴的维护工作量。 ( 5 ) 绕线式电动机因存在滑环和碳刷，其维护工作量也较大。 基于上述原因，在一些调速性能要求较高的场合，绕线式异步电动机串电阻 起动不能满足工业生产控制的要求。人们一直在尝试采用新型的驱动方式以改进 其效能。 1 3 交流传动技术的发展 电气传动技术是以电动机为控制对象，以电力电子功率变换装置为执行机 构，在自动控制理论的指导下组成电气传动控制系统，以达到控制电机转速或转 矩的目的。 长期以来，凡是要求调速范围广、速度控制精度高和动态响应性能好的场合， 几乎全都采用直流电动机调速系统。因为直流电机转速的调节性能和转矩的控制 性能比较理想，只要改变电枢电流就能简便而线性地、无时间滞后地控制转矩。 但是，直流电动机容易出现故障、维修困难：使用场合受到限制，在易燃、易爆 以及环境恶劣的地方不能采用；同时由于换向器的换向能力，使单机容量及转速 受到限制；另外直流电动机的价格较高，以上原因使得直流调速系统发展受到了 限制。 交流电机是多变量、强耦合的非线性对象，定子电流同时包含有转矩电流分 量和励磁电流分量，因而对其电磁转矩瞬时值进行控制比较困难。但是交流电机 特别是鼠笼式异步电动机有一些明显的优点：制造成本低、重量轻、惯性小、可 靠性和运行效率高、免维护、无电刷和换向器，所以能在恶劣环境中安全运转， 因此得到了同益广泛的关注和应用。 4 硕士学位论文第一章绪论 在近几十年罩，随着电力电子技术、电气控制技术的不断发展，许多新型异 步电机控制策略不断被提出。交流电动机的调速系统不但性能同直流电动机的性 能一样，而且成本和维护费用比直流电动机系统更低，可靠性更高，交流化电气 传动的时代随之到来。 1 3 1 电力电子技术的发展 电力电子器件是弱电控制强电的纽带，它的发展为交流调速奠定了物质基 础。迄今为止，电力电子器件的发展经历了分立换流关断器件( 第一代) 一自关 断器件( 第二代) 一功率集成电路p i c ( 第三代) 一智能模块i p m ( 第四代) 四 个阶段。 1 9 5 7 年第一个普通晶闸管( s c r ) 在美国通用电气公司的实验室诞生，标志着 电力电子技术的开端。由品闸管构成的静止变频电源取代旋转交流机组实现了变 频调速。然而晶闸管属于半控型器件，可以由门极控制开通，但不能控制关断， 因此由普通晶闸管组成的逆变器用于交流调速时必须附加强迫换相电路，这样的 话就使得整个系统比较复杂。采用晶闸管元件的变频装置的效率、可靠性、成本、 体积均无法与同容量的直流调速装置相比。 2 0 世纪8 0 年代中期以后用第二代电力电子器件g t r 、g t o 、i g b t 等创造 的变频装置在性能与价格比上可以与直流调速装置相媲美。随着向大电流、高电 压、高频化、集成化、模块化方向继续发展，第三代电力电子器件是2 0 世纪9 0 年代制造变频器的主流产品，中、小功率的变频调速装置主要是采用i g b t ，中、 大功率的变频调速装置采用g t o 器件。2 0 世纪9 0 年代至今，电力电子器件的 发展进入了第四代。主要实用的第四代器件为：高压i g b t 、i g c t 、i e g t 和s g c t 。 由于g t r 、g t o 器件本身存在的不可克服的缺陷，功率器件进入第三代以 来，g t r 器件己被淘汰不再使用。进入第四代后，g t o 器件也将被逐步淘汰。 第四代电力电子器件模块化更为成熟。如智能化模块i p m 、专用功率器件模块 a s p m 等。模块化功率器件将是2 l 世纪主宰器件。 1 3 2 交流调速控制策略的发展 随着电力电子器件的发展，交流调速系统的控制策略也得到了发展。目前实 用的交流调速系统的控制策略，主要有以下几种： ( 1 ) 恒v f 控制 恒v f 控制是交流电机最简单的一种控制方法，通过在控制过程中始终保持 v f 为常数，来保证定子磁链的恒定。但是v f 控制是一种丌环控制，速度动态 硕+ 学位论文第一章绪论 特性很差，电机转矩利用率低，控制参数还需要根据负载的不同来做相应的调整， 特别是低速时由于定子电阻和逆变器电力电子器件开关延时的存在，系统可能产 生不稳定的现象。 ( 2 ) 转速闭环转差频率控制 由于恒v f 控制静、动态性能都有限，要提高静、动态性能，首先要实现带 转速反馈的闭环控制。因此，人们根据异步电机转矩的近似公式： p 乃= 缈坩2 纨 ( 1 1 ) 【， 在转差很小的范围内，只要能够保持气隙磁通缈耐不变，异步电动机转矩就 近似与转差频率致，成正比，从而使转速变化频率与实际转速同步上升或下降， 与v f 控制相比，加速、减速更为平滑，且容易使系统稳定。控制嫂，就达到间 接控制转矩z 的目的。但这种控制方案是从异步电动机稳态等效电路和转矩公式 出发的，因此保持磁通恒定也只在稳态情况下成立。一般来说，它只适合转速变 化缓慢的场合，而在要求电动机转速做出快速响应的动态过程中，电动机除了稳 态电流以外，还会出现相当大的瞬态电流，由于它的影响，电动机的动态转矩和 稳态运行时的静态转矩有很大的不同。因此如何在动态过程中控制电动机的转 矩，是影响系统动态性能的关键，人们经过深入的研究，提出了对异步电动机更 有效的控制策略。 ( 3 ) 矢量控制 矢量控制技术是在1 9 7 1 年由德国人b l a s c h k e 首先提出的。它的基本思想是： 以坐标变换理论为基础，参照直流电机励磁电流和电枢电流在空间相互垂直，没 有耦合，可以分别进行独立控制的特点，相应地把交流电机定子电流分解成励磁 电流分量和与之相垂直的转矩电流分量。这样，对两个分量分别进行控制，就可 以和直流电机一样实现解耦控制，实时控制电机所产生的转矩，使被控系统具有 良好的动态特性。矢量控制分为转子磁场定向矢量控制、定子磁场定向矢量控制、 转差频率矢量控制和电压定向矢量控制等五种。矢量控制理论的提出和应用使交 流传动系统的动态特性显著改善，从而使得高性能的交流传动成为现实。 ( 4 ) 直接转矩控制 1 9 8 5 年，德国鲁尔大学的m d e p e n b r o c k 教授提出了一种新型交流调速理论 一直接转矩控制。这种方法是在定子坐标系对电机进行控制的，结构简单，在很 大程度上克服了矢量控制中由于坐标变换引起的计算量大，控制结构复杂，系统 性能受电机参数影响较大等缺点，系统的动静态性能指标都十分优越，是一种很 有发展前途的交流调速方式。因此，直接转矩控制理论一问世便受到广泛关注。 目前国内外围绕直接转矩控制的研究十分活跃i 0 】。 6 硕十学位论文第一章绪论 ( 5 ) 无速度传感器技术 高动态性能的交流传动系统都需要转速闭环控制，所需要的转速反馈信号来 自与电机同轴的速度传感器j 。为了获得准确而且可靠的转速信号，速度传感器 必须经过精确的安装和妥善的维护。高精度的速度传感器在条件不好的工业现场 上常常不易做到，因而在应用上受到一定的限制。此外，在低速时要获得准确无 干扰的转速信号也并非易事。因此，取消速度传感器而仍能获得良好的控制性能， 便成为众所瞩目的研究与开发课题。目前研究的较多的速度辨识方法主要有：模 型参考自适应法( m a r s ) 、基于自适应全阶状态观测器的m r a s 方法i l 厶1 4 j 、扩 展的卡尔曼滤波器理论1 1 纠6 1 、基于神经网络的方法【1 7 】等。无速度传感器控制技 术无疑是今后的发展方向，对于矢量控制和直接转矩控制需要解决的关键问题是 转速估计和磁链观测。不管采用哪种估计方法，对变量估计或观测的准确性是至 关重要的。现在随着各种新的控制理论的提出，以及具有高速处理能力的微处理 器的研制成功，计算的速度不再是限制控制算法的瓶颈，使得人们可以把最新的 控制算法用于电机控制，不断地提高变频控制系统的各种性能。 随着矢量控制和直接转矩控制这两种高性能调速方案的不断发展，其良好的 动静态性能，和宽广的调速范围，逐渐解决了绕线式异步电机串电阻启动存在的 缺陷。人们选用了高性能的矢量控制变频器，采取一拖二的方法。由于矢量控制 对电动机参数具有依赖性，不能够同时驱动多台电机，在实际应用中并没有取得 较好的效果。因此，如何将高性能的交流传动方案应用于双电机同步传动控制是 本课题的主要研究内容。 1 4 论文的主要内容及结构 论文从水电站闸门传动装置需要运行可靠、启停平稳、开度控制准确的要求 入手，详细描述了目f j 多电机同步传动技术的研究现状，介绍了交流传动技术的 发展过程，无速度传感器矢量控制、直接转矩控制的基本原理。论文分析比较了 绕线式串电阻传动和变频传动的机械特性、两台异步电机的机械特性差异，将矢 量控制和直接转矩控制引入到硬轴联接双电机传动控制中，解决双电机传动中功 率平衡、低速启停平稳等问题。通过m a t l a b s i m u l i n k 软件搭建了基于刚性联接 的双电机传动控制仿真模型，仿真结果验证了本文中双电机传动控制方案的合理 性。论文基本结构如下： 第l 章介绍了本文研究的课题背景，多电机同步传动国内外研究现状，交 流传动发展状况，指明了本文研究的方向和主要解决问题。 第2 章介绍了闸门传动装置的组成，分析了异步电机机械特性和数学模型。 对闸门传动过程中需要解决的重要问题进行了阐述，针对其负荷分配、功率平衡、 7 硕十学位论文第一章绪论 运行稳定等问题，提出了硬轴联接的双电机传动控制方案。 第3 章对双电机传动的速度控制进行研究设计。根据矢量控制调速平滑、 精度高、调速范围广的优点，速度环采用矢量控制算法，准确跟踪专家系统给定 的开度指令。 第4 章给出了双电机传动转矩平衡控制方案，根据直接转矩控制算法简单， 动态响应快的优点，从电机采用直接转矩控制，跟踪主电机转矩指令。采用基于 s v m 的直接转矩控制方法，解决了传统直接转矩控制丌关频率不固定，低速性 能不好的缺点。 第5 章通过m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了刚性联接的双电机传动控制仿真模 型，分别从低速、高速运行对两台电机的转速、转矩进行了较为深入的仿真分析， 验证本方案的合理性。 第6 章归纳总结了本文所做的工作，提出了有待研究的地方。 硕十学位论文第二章舣电机硬轴联接传动系统 第二章双电机硬轴联接传动系统 双电机硬轴联接传动方案必须根据闸门传动控制要求来确定，采用合理的传 动控制方案是闸门j 下常工作的重要保证。本章首先介绍了闸门传动系统的组成， 以及各组成部分的特性参数，估算出应该选用的电动机额定功率、转矩等；分析 了绕线式异步电机、变频调速的机械特性。比较了两台电机硬轴传动时的机械特 性差异。结合闸门传动的控制要求提出了一种新的双电机传动控制方案。 2 1 水电站闸门拖动系统 本文以广西贵港航运枢纽水电站闸门为研究对象。贵港航运枢纽位于我国的 黄金水道一西江航道上，是西江航运建设的二期工程。该枢纽的拦河坝共有1 8 孔闸门，工作闸门为平板式闸门，重1 1 2 8 8 吨，闸门尺寸1 4 m * 1 4 6 m ，额定起 升速度为2 5 m m i n ，提升高度2 5 m 。固定启闭机采用电机减速器开式齿轮 转筒的形式，减速器和齿轮总传动比为8 0 0 ，转筒半径0 3 m 。闸门控制示意图如 图2 1 所示。 i i 减减 速 、一 一 f 速】 箱“谆箱： i ； 一 l 闸门 ! 、一 一一， 图2 - 1 闸门控制示意图 在小考虑摩摞等凼素f 司以由( 2 - 1 ) ，( 2 - 2 ) ，( 2 - 3 ) 式分别推算负载转矩、 电机转速和电机输出功率。 瓦= 竿( 2 - 1 ) 彩：i k f - t ) ( 2 - 2 ) 彩= =丽rco(2-3)p = = o 气气n 式中：瓦一负载转矩；m 一闸门质量；g - 重力加速度：r - 转简半径；l 江 传动比，一闸门起升速度，p 电机输出功率，z 电机转矩。可以推算出闸门 9 硕十学位论文 第二章双电机硬轴联接传动系统 负载转矩为4 1 5 珂m ，电机输出转速为1 0 6 2 r m i n ，输出功率4 6 2 k w 。 由于闸门重量和跨度大，单个吊点不适合启动。另外单台电机功率越大，成 本增加越多，因此采用双电机传动。为了保证工作门两个吊点同步升降，两台减 速器高速轴用刚性轴联接。通用的闸门启闭传动装置采用的是两台绕线式电动 机，通过串电阻启动，控制方式为现场手动。由于1 2 节所述绕线式串电阻启动 存在的缺点，此传动系统无法满足水文调度专家系统的要求。因此需要采用更先 进的交流传动技术来满足闸门启闭“运行可靠、启停平稳、定位准确的要求一。 本文中选用2 1 2 5 0 k n 固定启闭机，起吊中心距为9 8 m 。传动装置为三相鼠笼异 步电机，额定功率3 5 k w ，额定转速1 2 0 0 r p m 。闸门拖动系统参数如表2 1 所示。 表2 - 1 闸门传动系统参数表 闸重闸门尺寸起升速度提升高度总传动比转筒半径 1 1 2 8 8 ( t )1 4 1 4 6 ( m )2 5 ( m m i n )2 5 ( m ) 8 0 0 0 3 ( m ) 负载转矩 电机转速电机功率电机数量电机类型起吊中心距 4 1 5 ( n m )1 2 0 0 ( r p m )3 5 ( k w ) 2 台鼠笼异步 9 8 ( m ) 2 2 闸门拖动电机 闸门采用两台异步电机硬轴联接传动，由于制造误差等因素的影响，任何 两台电机之间不可能保证电气参数和机械特性的严格一致。下面分析异步电机机 械特性、电气参数和机械特性差异对硬轴联接传动电机的影响和异步电机数学模 型。 2 2 1 机械特性分析 ( 1 ) 绕线式异步电机转子回路串电阻机械特性 月 他 弋卜 j 五 - 图2 2 绕线式异步电机转子回路串电阻后的机械特性 l o 硕七学位论文 第二章舣电机硬轴联接传动系统 从图2 2 可以看出，由于回路内部串电阻的存在，电动机的机械特性变软， 而机械特性越软，电动机的负载能力越差。在负载转矩t l 不变的情况下，拖动 系统的工作点由a 点移动到b 点，转速由n i 降为n 2 。由电机输入输出功率 尸= n * t 可知，当工作点转速越低，功率损耗印= 瓦( 一仍) 越大。 ( 2 ) 变频调速机械特性 月 刀o 吃 。 互 图2 - 3 变频调速机械特性 图2 3 中曲线l 为电机调速前的机械特性，曲线2 为电机变频调速后的机械 特性。对比可知，电机在调速后，机械硬特性基本一致。因为变频调速方法在调 速的同时能够调整供电电压，使电机的机械特性基本保持不变【i 引。另外，相比 绕线式异步电机的转差调速，在负载t l 不变的情况下，变频调速具有很好的节 能效果。调速前，电机损失功率为p = 瓦掌( 一) ；调速后，电机损失功率为 p = 正( 瑞一) ，由于调速后电机的机械特性基本不变，因此，损失功率基本 相等。 ( 3 ) 两台异步电机机械特性差异 受材料、制造工艺和制造精度等因素的影响，两台异步电机的参数不可能完 全相等。异步电动机的实际输出机械特性曲线( 以下简称特性曲线) ) 将不同于 其理想特性曲线。图2 4 中以l 代表额定功率为、额定转速为噬的异步电动 机的理想特性曲线。厶和厶分别代表两台异步电动机a 、b 的实际特性曲线。电 动机a 和b 的额定功率亦为m ，以和玩，分别表示它们的标定转速( 即实际 额定转速) ，则电机a 和b 与理想电机之问将存在如下关系： 硕士学位论文第二章双电机硬轴联接传动系统 图2 - 4 实际和理想异步电机特性曲线 乃= 乙= 瓦= 式中瓦理想电机的额定转矩： 乙电机a 的实际额定转矩： 瓦电机b 的实际额定转矩。 ( 2 _ 4 ) 图2 - 4 给出了电机a 和b 特性稳定区的线性工作区段，即别幽= 常数的 区段。 矗 厶 | i ? ；| i。 甩 图2 - 5 电动机a 和b 的稳定特性区 如前所述，当电机a 和b 共同驱动一负载时，两台电机将在同一转速下工作， 以表示这两台电机的共同工作转速，则由图2 - 5 可知，两台电机的负载力矩不 同， ，也就是通常所说的负载分配不均现象。这种现象将随两台电机特 性差异的增大而增大，同时也随电机特性斜率( d r 幽) 而增大。当超过电 机工作许可值时，电机工作状况将恶化，严重时甚至可能导致电机损坏。因此， 硕+ 学位论文第二章双电机硬轴联接传动系统 当采用刚性联接同步传动方式时，应慎重考虑交流异步电机特性的筛选和控制策 略问题。 一般来说，异步电机高性能调速系统的控制方式是比较复杂的，要确定最佳 的控制方式，必须对系统动、静态性能进行充分的研究。作为控制系统中的一个 重要环节，异步电机的特性显得尤为重要，建立一个适当的数学模型是研究其动 静态性能及其控制技术的理论基础l 9 2 0 1 。 2 2 2 异步电机数学模型 由于异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，因此在研究其数 学模型时常作如下假设： ( 1 ) 忽略空间谐波，设三相绕组对称，空间互差1 2 0 。电度角，所产生的磁动势沿 气隙圆周正弦分布： ( 2 ) 忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是线性的； ( 3 ) 忽略铁耗的影响； ( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响。 这样，实际异步电机被等效为如图2 - 6 所示的三相异步电机物理模型。图中， 定子三相绕组轴线a ，b ，c 在空间是固定的，故定义为三相静止坐标系。设a 轴为参考坐标系轴，转子以功速度旋转。a 轴和转子口轴间的角度差，即空间角 位移为秒= l 。田。 枷 互感的情况较为复杂，定子和转子的六个绕组之问的互感可分为两类：一类 是定子三相绕组a ，b ，c 间及转子三相绕组a ，b ，c 间因位置固定产生的互感， 在忽略齿槽效应时，互感为常数：另一类是定子任一相绕组和转子任一相绕组间 相对位置变化而产生的互感，其是角位移臼的函数，互感的变参数是造成系统非 线性的根源。异步电机的数学模型可以由下面四组微分方程来表示： 硕十学位论文 ( 1 ) 电压方程式 三相定子绕组电压方程式为： ：珊 一一_ 一一 易： 第二章双电机硬轴联接传动系统 图2 - 6 异步电机物理模型 铲墨+ 警 铲蜀+ 警 铲f ( r i + 警 三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程式为： = 乞马+ 警 = 坞+ 警 驴缇+ 誓 上式中以微分算子p 代替d d t ，且用矩阵形式则可表示为： 1 4 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ，秒 a，心 i 0 b ， 蛳、 b a ，一。 、| 。 0 。 6 扰， ， 3 ， ， 一 ， “ 崞击a 。c 、 、|匆乏 一一 - i 、，、影q 硕士学位论文 第二章双电机硬轴联接传动系统 羁0 0 0 墨0 0 0 局 0oo o0o o0o oo o 忡 00 0 忆 oo o 怯 是o o i l ； 0 是0 00 r 2n + p 少 y 占 中【 v o y 。 ( 2 - 7 ) ( 2 ) 磁链方程式 每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其他绕组对它的互感磁链之和，可表 示为 式中，自感： 互感： v 8 虬 l al a 8l 栅cl ol 伯l a c l 厶。 k k 瓦 厶【 k k l c c ( 2 8 ) 匕= k = k = 厶，k = k = 乞= 厶 ( 2 - 9 ) l a b - - 匕= k = 厶= k = 厶w = 三厶 厶= k = k = 乞= 厶。= 厶= 三厶 l 加= 乙= l b h = k = k = k = l m c o s o ( 2 - 1 0 ) l a 。= 乙= k = l a b = 厶_ = k = l c o s ( o 一1 2 0 。) l 舯= = l b = l c b = 厶口= k = 厶c o