双绕组电机变频调速控制系统

2015-03-04李岩李彬刘照

防爆电机 2015年2期

李岩，李彬，刘照

(1 沈阳理工大学，辽宁沈阳110168;2 沈阳优势特起重机有限公司，辽宁沈阳110014)

0 引言

多相电动机相对于普通三相电动机具有无法比拟的优势［1］:(1)调速系统具有更多的控制资源和潜能;(2)可以采用低功率器件实现大功率电机的调速;(3)转矩脉动的幅值小;(4)方便系统进行冗余设计;(5)电机转子谐波损耗减小，具有良好的低速性能。

多相电机提高了电机工作的可靠性，在大电机控制中采用多相绕组设计得到了更广泛的应用。低压变频器技术已经是成熟的技术，因此低压变频器在交流电机控制上得到了广泛应用。

文献［3］研究了多相同步电动机的数学模型和仿真;文献［4］研究了双三相异步电动机的数学模型和仿真实验。本文分析六相双Y 型相移30°绕组结构的交流电机的数学模型，并且在工程实现上采用通用低压变频器VaconNXP 进行了控制实现，通过Vacon 变频器的特殊软件完成两台变频器的同步控制和相位相差30°控制。采用低压交流变频器具有性能可靠、故障率低、价格低廉、使用简单、维护方便等特点。

1 双绕组电机的模型分析

本文分析的六相双Y 位移30°的交流电机属于多相非对称系统。此电机采用两台NXP 变频器控制。图1 为变频控制系统的主电路图。电机的每套三相绕组用一台变频器控制，变频器间采用光纤通信，组成主从控制系统。

电动机双定子绕组如图2 所示。绕组1 为UVW 三相，绕组2 为U1V1W1三相，绕组2 顺时针滞后绕组1 为30°。

图1 双绕组电机变频器控制主电路

图2 六相电机定子绕组空间分布

由于电机定子绕组2 滞后绕组1 为30°，在绕组1中产生的磁链Ψ1与绕组2 中产生的磁链Ψ2叠加，产生的磁链和Ψ 最大，需要通入绕组2 的三相交流电在相位上也滞后通入绕组1 的交流电30°。

为便于分析做理想电机的假设

(1)两套绕组空间相差30°电角度。每套绕组在空间上对称布置。

(2)忽略迟滞现象、铁损、磁路饱和的影响。

(3)定子通三相对称电流，气隙磁场在空间为正弦波分布，忽略电流谐波影响。

基于上述假设可得电机定子和转子的电压方程为

式中，U、I、R、Ψ—定、转子绕组电压矢量、电流矢量、电阻矩阵、磁链矢量。通过派克变换可以获得基于电机转子一起旋转的坐标系—dq 坐标的数学模型［2］。

以电流为状态变量的dq 坐标系的状态方程如下

2 双绕组电机变频控制系统

鞍山某水厂的双绕组西门子电机电压690V，定子每套绕组额定电流440A，额定速度995rpm，额定频率50Hz，功率因数cosφ=0.83。使用变频器控制电机达到调节水压的目的。控制系统如图3所示。变频器采用Vacon 公司的NXC0460 6G2L0SSFA1A2D2 变频器两台，Vacon 变频器具有IEC 61131-3 编程平台软件，在应用层软件对用户开放，编程语言可以用功能块图(FBD)，结构文本(ST)和顺序功能图(SFC)三种语言。在变频器应用层内置算法比外置控制器如PLC 等具有抗干扰性强的特点。此电机为双绕组相位差为30°电机。为了实现相位控制，采用两台变频控制组成主从控制。

针对电机双绕组控制要求，利用Vacon 变频器的编程平台编制主从同步控制程序Drive-Synch。此程序最多可以控制4 台变频器构成主从结构，不同变频器间可以调整输出电压的相位，控制多达四套独立绕组的电动机工作。

变频器控制系统图如图3 所示。主电路为交流电压690VAC 给两台变频器供电。两台变频器的输出UVW 分别接到电机的两套绕组上。变频器的控制信号有:机旁的手操器给定电压信号，用于调节变频器输出频率;上位机PLC 给定信号，用于远程控制时控制变频器输出频率;起动开关KA1，当此常开触点闭合时，本地控制变频器起动，当此开关断开时，变频器停机;故障复位转换开关SW1用于复位变频器故障;本地远程控制转换开关SW2，用于控制本地起动变频器还是远程起动变频器，当SW2开关闭合时为远程控制，KA2开关为起动信号，AI2+与AI2-为频率给定端子。当SW2开关断开时为本地控制，KA1开关为起动信号，AI1+与AI1-为频率给定端子。变频器的D2卡用于主从控制通讯，为光纤连接。