功角及脉冲调制双驱同步电机负载平衡控制技术研究与应用.pdf

55使用与维护第42 卷2 0 2 4年第2 期（总第2 3 0 期）功角及脉冲调制双驱同步电机负载平衡控制技术研究与应用周立峰，范思民，许广明，李明远，张晓阳（鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司，辽宁鞍山1 1 40 43）【摘要】阐述了基于功角及脉冲调制双驱同步电机负载平衡控制系统的技术特点，并结合实际应用进行故障分析，制定切实可行方案，保证了设备的稳定运行，取得了较好的综合效益。【关键词】双驱同步电机；正交轴绕组；离合器脉冲技术；负载平衡Research and Application of Load Balancing Control Technologyfor Power Angle and Pulse Modulated Dual-drive Synchronous MotorZhou Lifeng,Fan Simin,Xu Guangming,Li Mingyuan,Zhang Xiaoyang(Anqian Mining Co.,Ltd.of Ansteel Group,Anshan 114043,Liaoning,China)Abstract I This paper describes the technical characteristics of the load balancing control system of dual-drive synchronousmotor based on power angle and pulse modulation,conducts fault analysis in combination with the practical application,andformulates feasible solutions,so as to ensure the stable operation of the equipment and achieve better comprehensive benefits.Keywords I dual-drive synchronous motor;quadrature winding;clutch pulse technology;load balancing1前言鞍钢集团某选矿厂现有大型化设备半自磨机1台，用于预选极贫矿的破磨工序。其中动力部分采用功角及脉冲调制的双驱同步电机进行驱动及负载调整。为了保证设备运行效果，控制系统采用高度自动化的控制系统；驱动同步电机采用高质量，长寿命设计，独特的风冷设计，散热需风量低；分体设计，方便拆解检修。同时，具有运行功率因数高，启动电流低，调速性能好等优点。2双驱同步电机的驱动系统构成双驱同步电机的驱动系统主要由同步电机（电机A、电机B）、气动离合器（离合器A、离合器B）、小齿轮（小齿轮A、小齿轮B）、环形齿轮、磨机本体及慢驱装置构成。同步电机主要作用是提供动力源，通过调节转子复合励磁来精调两侧动力输出的功能；气动离合器主要作用是通过抱合、脱离来实现电机动力传动，同时具有通过离合器脉冲调制技术粗调两侧动力输出的功能；小齿轮与环形齿轮啮合，将动力传给磨机；慢驱装置主要用于检修时慢速转动磨机本体。2.1电机及控制系统电机主要由正交轴励磁（静态励磁）系统与直轴励磁（无刷励磁）系统构成。2.1.1正交轴励磁系统将直流电通过电机滑环碳刷通人转子正交轴绕组，形成附加磁场，即正交轴磁场。2.1.2直轴励磁系统由静态励磁柜对交流励磁发电机的静止励磁绕组励磁，励磁发电机的旋转电枢绕组产生的交流电经旋转整流器整流后供直轴主磁场绕组，形成电机主磁场，即直轴磁场。电机转子磁极是由正交轴磁通与直轴磁通共同作用形成的合成磁通而生成，通过动态调节正交轴绕组电流，可调整电机转子磁极的位置(见图1)。2.2气动离合器调节系统每个离合器都有一个单独的控制阀柜。每个柜有一个泄压阀和一个压力调节阀。通过关闭或打开两个泄压阀来闭合或打开离合器，实现电机带载或卸载；每次排气改善功率值约为1 0 0 kW3工作原理双驱同步电机的驱动系统通过调节正交轴励磁绕组电流达到负载平衡的精准调节，通过离合器脉冲调制达到负载平衡的粗略调整。56-使用与维护第42 卷2 0 2 4年第2 期（总第2 3 0 期）(a)(b)电板芯合成磁通N主励磁绕组正交轴绕组风正交轴绕组或直轴X转子SS直轴正交轴旋转送量合成直轴直轴磁通正交轴磁通（a）直、正及合成磁通相对位置示意图；（b）磁通相对位置展开示意图图1电机转子磁极及磁通通过调节正交轴励磁绕组电流达到负载平衡相对于定子磁极，通过调节正交轴绕组电流大小和方向，可以使转子磁极（正交轴与直轴合成磁通）有明显的磁位置，并可以在双驱电机中快速变化。电流调节采用专家系统型智能PID调节器，根据专家整定PID参数的经验已形成规则，存放于专家系统的知识库内，同时将实时获取的观测数据与历史数据存放于数据库内。按照启发式推理机制选择合适的PID参数，并对PID调节器的参数实施在线、实时修改决策，由于正交轴控制系统具有极短的时间常量，因此可将它作为系统阻尼器使用。两电机的直轴励磁绕组所产生的主磁通相对于本电机的转子磁极中线对称，正交轴中产生磁通相对内极中线对称，正交轴磁通与直轴主磁通共同作用产生偏移直轴主磁通的合成磁通。偏移度大小的决定因素是流经正交轴绕组的电流强度和方向，通过推拉式（反向串联方式）连接两个电机的正交轴绕组，可以获得更大的调整动态范围（见图2），这就可以使两个电机在其动态范围内共担相同的负载，即使在初始离合器锁定和瞬间齿轮啮合的转子位置中产生平均和瞬态功率差异时，功率差值也能很快调整到允许范围内。(a)合成磁通(b)合成磁通正交轴绕组正交轴绕组NSSSS电机A电机B主磁通直轴磁通直轴绕组直轴磁通（+）正交轴磁通（-）正交轴磁通（a）电机A正交轴磁通推式（+）；（b）电机B正交轴磁通拉式（-）图2双电机磁场两个电机的正交轴绕组线圈反向串联，通过闭环控制回路实现两个电机的电流调节，可同时实现一台电机增磁，另一台电机减磁，进而将两电机负载调节至相同的水平，每个电机最大可加上或减去额定功率的2 5%，这对于电机负载平衡来说，相当于精准调节。3.2通过离合器脉冲达到负载平衡如果磨机旋转一圈的正交轴励磁电流平均值在预设值以上，或者无正交轴励磁电流控制的电机功率差异在预设值以上，则会启动离合器脉冲的粗略负载平衡策略。通过对离合器进行脉冲调制，迅速打开重载侧电机的离合器泄压阀，排出部57使用与维护第42 卷2 0 2 4年第2 期（总第2 3 0 期）分空气使重载侧电机的离合器滑动来降低电机负载。如果脉冲时间设置正确，在离合器脉冲作用后，不仅可以在轻载侧电机被略微拉回的期间使重载侧电机的转子继续以较低的负载运行，同时会获得电机负载角度的理想匹配。如果离合器脉冲没有改善平均功率差异至预设量，则会增加下一个脉冲的时间（在上限范围内）以提高调节的有效性。有效脉冲时间会被记忆以便于下一个离合器脉冲调整。产生离合器脉冲前，重载侧电机的离合器压力会从运行压力降低至脉冲压力，这不仅使得泄压阀不会在重载侧电机的离合器滑动前排出更多空气，还可以使离合器脉冲更为灵敏。一旦完成离合器脉冲，离合器压力会再次提升至运行压力。每一次脉冲排气可卸载功率值约为1 0 0 kW左右。这对于电机负载平衡来说，离合器脉冲则是更为粗略的调整。4美系统操作在完成安装、启动和调试工作之后，再次启动双驱控制系统即会自动按照停机前的运行参数运行。正常模式下，正交轴电流控制应选择为自动，离合器脉冲控制选择为自动，可以在磨机现场操作站或者在集中控制室启动或停止电机和磨机。只需要在执行电气维护时才选择其他需要模式。4.1磨机启动控制逻辑磨机附属设备运行正常及各种保护信号检测无误后，允许启动电机。先启动A电机，A电机正常运行后，启动B电机，两台主电机都运行正常，显示磨机备妥。在两台电机都可以加载时，磨机启动，通过PLC控制两个离合器同时关闭，启动5s后警告响起。PLC控制两个泄压阀关闭，提高两个离合器的气压至电机额定转矩的2.5倍水平以上（并小于电机保护脱载转矩），用于配合磨机加速，然后降低至运行压力（为电机额定转矩的2 倍），并锁定在运行速度。磨机稳定在运行速度后，会启用电机正交轴励磁控制实现精准负载平衡，如果再次出现正交轴励磁电流达到预设上限值，两电机功率差仍未改善到设定上限差值范围以内，或正交轴励磁电流停止工作时，则启用离合器脉冲以实现粗略负载平衡。在磨机运行正常后，控制系统发出允许给料信号。4.2电机停止控制逻辑在停止电机之前，磨机应停止运行（打开离合器）。如果停电机时磨机还在运行，则系统程序会发出指令立即打开两个离合器卸载4.3负载功率差手动调节如果在自动模式下存在调节问题，可以选择手动调节两电机功率差：在操作画面上将正交轴励磁电流控制选为手动模式，通过提高参考值（增加负载至电机B），同时功率差仪表上指针显示向右移动（显示电机B的负载应升高）。相反，降低参考值，将增加负载至电机A。理想结果调节磨机的功率平均差值趋于零，功率差仪表上的指针显示在中间（动态）位置。离合器脉冲控制被选为手动模式后，按手动脉冲按钮将会产生一个离合器脉冲，待离合器气压降低至脉冲压力以及预设磨机旋转位置（处于所有离合器脉冲产生的位置），且磨机速度不低于每秒一圈，离合器脉冲使能后，离合器将瞬时排气，正交轴电流或功率差仪表的平均读数将向增加负载的电机摆动。5运行中的典型问题及应对措施（1）启动磨机时保护跳停：瞬间负载偏差过大，超过保护设定值及持续时间。经过研究分析，多数原因是停车时筒体内物料未完全处理掉，导致积料过多（或故障带载停机），启动负载过大。两台气动离合器仍按上次停机时自动计算的抱合速率抱合带载，通常会出现电机B（上侧）出力大，电机A（下压侧）出力小，造成两电机瞬时负载失衡，功率差超过设定的2 1 8 0 kW，且持续时间超过2 s。经研究分析最终确定，重新启动前，根据系统记录的跳停时两台电机功率值偏差情况，适当调整两台离合器抱合速率，依据“跳停时功率大的往小调，功率小的往大调的调整原则，适当调整两台气动离合器抱合速率来控制两台电机的加载，电机B（上抬侧）气动离合器抱合速率适当减小，减缓电机加载；电机A（下压侧）气动离合器抱合速率适当增大，加快电机加载。如果跳停，在前次设定数值的基础上再次调整抱合速率数值，经过一段时间摸索，基本一次能够成功。由于停机时断电，再次启动，系统参数恢复到出厂默认值，需要根据偏差情况适当调整瞬时负载偏差，保护设定值及保护时间。通过以上措施，带载阶段两电机负载出力偏差大的问58上接第54页使用与维护第42 卷2 0 2 4年第2 期（总第2 3 0 期）题得到了较好解决。（2）运行过程中保护跳停：负载偏差过大，10min内未调整过来。经查阅岗位记录，由于生产调整，磨机台时提升了40%。由于受磨机给料的波动影响，导致持续的负载失衡功率超过1 0 9 0 kW，且持续时间超过1 0 min，须确认Q轴调节器是否正常工作，并适当调整负载偏差保护设定值及保护时间。（3）电机A、电机B偶发离合器打开故障：离合器长期运行后，第一种情况需要重新标定离合器设定参数及抱合压力，通过设置画面中的离合器校准按钮校准两个离合器。PLC控制离合器充气，使气压达到50 0 kPa，调节PLC模拟输出对应2 0 mA；控制离合器排气，使气压落至1 0 0 kPa，调节PLC模拟输出对应4mA；完成离合器设定参数标定。第二种情况离合器控制阀工作性能下降，如压缩空气有杂质，需要对管路进行吹扫并及时更换压缩空气进气过滤器。凝颗粒上浮并通过旋转轴刮渣机刮到后段浮渣排放槽中，达到固液分离的效果。处理后的水经过可调节溢流堰从排放口自流排放。3.4刮渣排泥系统优点（1）递进式刮渣机。由固定式旋转轴（每根旋转轴上带有3 块刮板和1 个对轮）组成，对轮设置在池外一侧，减速机与旋转轴刮渣系统采用对轮直连连接方式，便于检修及更换，保证维修不停产。（2）排泥系统。斜管沉淀区底部为集泥区，有4个集泥斗，每个集泥斗设置1 个DN125手动排泥阀和1 个DN125气动排泥阀进行排泥。污泥收集后，通过气动排泥阀依次将污泥排出池体，完成排泥过程。泥斗垂直高度不小于0.7 m，斗板角度60；气浮浮渣系统自动连锁由于气浮设备造价及运行成本远低于超滤除油等工艺的指标，在常规设备功能上又进行了升级改造，工艺更加流畅、气泡更加细小，除油、除悬浮物效果更显著、更加节能，设备故障率大大6系统运行效果根据系统运行结果来看，应用两台电机同时驱动重载设备，通过功角及脉冲调制双驱同步电机负载平衡控制技术的应用，可以使两台电机获得均衡的负载分配。实践证明，该方法是恒转速重载双驱设备负载平衡调控的有效解决方案，使设备启动和运行时的平稳性都达到了理想的效果，并且取得良好的经济效益。7丝结束语功角及脉冲调制双驱同步电机负载平衡控制技术应用实践表明，该技术能够很好的适用恒转速重载双驱设备的负载平衡调控，具有灵活性高，调节范围大，高可靠性等优点；但同时也存在系统复杂，投资成本较高等不足。（2 0 2 3-0 7-1 4收稿）降低，所以越来越被市场认可，也成为在水处理行业中的重点研究方向。4结束语通过对气浮设备的各组成部件功能的论述，及与其他含油废水处理设备的对比分析，高效溶气设备在处理污水中更具经济性和实用性，在保护环境和人类健康方面起着重要作用，特别是在含油废水处理上有着广阔的应用前景。参考文献：1王静超，马军，王静海.气浮净水技术在给水处理中的应用与研究概况J.工业水处理，2 0 0 4(9):98-99.2汪国刚.气浮净水装置的研究与发展J.工业安全与环保，2 0 0 6（1）：1 1.3李亚男，田立平，王丰科，等.强化气浮除藻及其联用工艺研究进展J.净水技术，2 0 2 0，3 9（1 0）：102-108.（2 0 2 3-0 9-0 9 收稿）