永磁直线同步电动机功角控制策略的研究

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第3 O卷第 4期 20 0 5年 8月

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Vo . O No 4 I3 .

J RNAL OF CHI A AL S CI T OU N CO O E Y

Au . g

2 0 05

文章编号：23— 9 3 20 )4— 5 9一 5 05 9 9 (0 5 o 02 o

永磁直线同步电动机功角控制策略的研究张 焦留 王’王’康润’宏伟，成，新环，福忠，生.

(.河南理工大学电气工程系，河南焦作 1

4 40;2 5 0 3 .郑州大学，河南郑州

440 ) 50 7

摘

要：针对垂直运动永磁直线同步电动机的特点，通过力角特性及稳定性分析，得出了功角控

制策略 .该控制策略将直线电机的稳定控制引入到最大推力控制中，通过控制电机的电磁力角，

实现直线电机的速度控制 .试验表明，该策略响应速度快、超调量小，有效地提高了永磁直线电动机垂直运输系统运行的稳定性、可靠性和电机的运行效率. 关键词：永磁直线同步电动机；功角控制器；稳定性分析中图分类号：T 3 1 M 5文献标识码：A

Re a c n he c nt o t a e y o o r a l f s r h o t o r ls r t g f p we ng e o p r a e a ne i a y c o u o o e m n ntm g t l ne r s n hr no s m t rZ HANG n— e,JAO L uc e g,W AN Xi— u n,W ANG F .h n K Ho gw i I i—h n G n h a u z o g, ANG Ru—h n nse g、

( .D p.o ltcl n i eig,tn nP leh i U i rt, i zo 44 0 C i 1 et fEe ra gn r ci E e n l a o t nc nv sy Ja u 50 3, hn e y c ei o a;2 Z e zo nvr y hn zo 4 4 0 C/ . hn huU i s,Z eghu 5 0 7, hn g e i t a)

A src: codn h h rceiiso em n n mantl e y c rn u tr( ML M)f et a b ta t A crigt tec aat s c fpr a e t g e i a sn ho o smo o rt nr o P S o vr cl r imo e n,t e c n

r lsr tg fpo r a g e wa b an d b n l zn he t r s— n l d sa ii mp￣ e . v me t h o to ta e y o we n l s o ti e y a ay i g t h u ta g e a tb l y p e n t s

T e sa l moo o to a n r d c d t h x mu t r s c nr lb s g t i s a e . T e v l ct o t l h tb e trc nr lw s ito u e o t e ma i m h t o t y u i h s t tg h eo i c n r u o n r y y oWa e ie h o g h o to fee to g ei h s nge S r a z d t r u h t e c n r lo lc r ma l n tc t r ta l .Th e ti diae h tt e r s n e s e d i u c u e t s n c t st a e po s p e s q ik h

a d t e o e— g l t n i ma1 S h t i t n v r r u a i s s l . o t e sa l y,c e i i t d r n i g ef in y o e v r c a s o ain o h e o b i r d b l y a n n f ce c ft e t a t n p r t f i n u i h il r t oPML M r mp o e i i c n l S a e i r v d sg f a t n i y.

Ke r s e a e tma e i e y c r n u t r o ra g e c n o e;sa i t ay i y wo d:p r n n g tl a s n h o o s moo;p we n l o t l r t l y a l ss m n nr r l b i n

在运行距离远、推力要求大的提升系统，从经济、供电以及功率因数等方面考虑，应采用分段式永磁直线同步电动机，这是对传统旋转电机提升系统的重大变革.然而，分段式垂直运动永磁直线同步电动机在运行时的失步和机械震荡等问题，一直困扰着设计者和使用者 .由于垂直运动永磁直线同步电动机在结构上、控制机理上均与旋转电机以及水平运动直线电机不同，如果采用旋转电机和水平运动直线电机的控制方法，其误差较大，稳定性较差.本文以垂直运动隐极式永磁直线同步电动机为例，通过对其力角特性及稳定性分

析，得出功角控制策略，将电机的稳定控制引入到最大推力控制中，根据实际测量的电磁力角，实现电机的速度控制¨

1分段式永磁直线同步电动机的工作原理 垂直运动分段式永磁直线同步电动机垂直运输系统试验模型如图 1示 .整个系统由 1所 O段初级电枢收稿日期：2 0 1 0 0 4— 2-6

基金项目：国家自然科学基金资助项目 ( 0 70 4) 6 34 3;河南省自然科学基金资助项目 ( 2 16 5 0) 0 10 0 0;河南省重大攻关项目 (9 102 ) 9 12 49;河南省高校杰出科研人才创新工程 (0 0 Y X 0 ) 20 K C 0 9 。 作者简介：张宏伟 ( 90一) 18,男，安徽萧县人，硕士研究生 . e:17 3 19 8 T l 3 8 9 10。E— a:zasw p .d . r m i hnh@h u e u c l l

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25 0年第3卷 0 o

绕组、动子和提升容器组成，运行距离 1 0m,载荷 14 t电机初级均匀地 . .

布置在固定框架 (提升罐道 )上；动子由永久磁铁等构成，结构为隐极式. 动子的纵向长度等于 2台初级和 2段间隔纵向长度之和，保证动子在纵向运动过程中，初级与动子永磁体的耦合磁场面积不变.供电方式采用递推方式，即上升时按 1,2,3,3;2,4;3,5,4;4,5;5,7,,6,6;6

7;7,9,9,1,8,8;8 0号 8组顺序分组供电，下降时按逆顺序分组供电.

提

2力角特性

.

同步电动机进入稳态运行后，最重要的工作特性是力角特性，即电磁图 1分段式永磁直线同步推力与电磁力角 (角 )之间的关系.同其他电机一样，永磁直线同步电功动机也可以用等效电路表示，其一相等效电路如图 2所示， . U。为施加到电枢绕组的电压；,为电枢电流； s 为电枢反应电抗；Ei为内电势，￡为外电势；X。电枢漏电抗，它由槽漏电， o为抗。。和端漏电抗组成，即=。 .按电动机惯 。+

电动机垂直运输系统 F l Vr l i ei咖昏 ta i。 s t e M S ye ot LM sm fh P

例规定的各量正方向，等效电路的电压平

衡方程式为U:一E n+I| IXL ||+j.+ X . r

同步电抗 X=+ .由此可得 X。置

图 2永磁直线同步电动机等效电路F g 2 T e e uv l n ic i o e p r n n i . h q i ae t r ut f ema e t c t h ma n t i e r s n h o o s moo g e n a y c rn u tr l

,|=[一( o] ( j T。一E )/ r+ X )=l l, pq j 式中，,为电枢电流有功分量；l为电枢电流无功分量. D q

同步阻抗 z=、/ (推力为

电磁功率 P= El: 3o 3×￣

[ E UCS一 ( 0。 或)r+ EUs]/ 2 O0。 0。n i z.一般情况下r￣ T忽略 r的影响，P,X, Z 。=3 0。i O X .电磁 E U s/ T n

=

sn i

式 ( )为一正弦变化曲线，0= 0对应最大电磁推力 F一：3 1 9。

.

当电机频率明显降低时，电枢电阻压降的作用会显著增大，导致因忽略电阻作用而推出的近似公式更加不准确，考虑电阻作用时的电磁推力为F = ( . cs0+ U s r)= Ur o . n0一。 i。,

)、

i一 n警， (…)式中，O: rt (。 ) t ac n r a/;相应的力角特性曲线如图 3所示 . 由于电阻的作用，使得电机运行时最大推力数值减小，出现最大推力的电磁力角也减小，动子所受正向推力的作用区间小于负向推力的作用区间.

/

\、 目

图 3力角特性曲线F g 3 T e c a a tr t U'￣o o e I i. h h r ce i i C le fp w raI sc V e

3供电频率变化对电磁推力的影响永磁直线同步电动机的同步速度、电抗以及励磁电势都正比于频率，频率变化将引起它们的相应变化，将这些量适当变换后，图 2的等效电路可以适用于任何频率 . 设额定频率为厂时，电源电压、励磁电势、同步速度和同步电抗分别为，E,。 T o,X,假定频率被 减少到，。 和将分别变为 K o。 K T E,和 X,若电源电压 U不变，忽略电阻影响，则可以得到 s

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张宏伟等：磁直

线同步电动机功角控制策略的研究永

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新条件下的最大电磁推力为,~一

3 KEo—

1 3E0 U

1

T

K。 T— K mx a*一

,|F

最大推力对应的负载角可以通过

= 0得出，此时对应的 0=ac n ( X/ ) rt a K r .s

由此可以得出：当供电频率变化 K倍，电源电压不变时，最大推力变为原来的 1K,对应的最大电磁/力角有减小的趋势 .

4稳定性分析为保证永磁直线同步电动机静态稳定，即在电源电压或负载发生扰动后 (定子绕组切换如压波 g )电机能继续同步运行，电磁力角应工作在稳定区内. O,、

电源电

在实际运行过程中，为了保证电机的可靠性，电机的极限功率应比额定功率大一定的倍数

,

称为静态

过载倍数 ( ) P~/。,对于隐极式，有 ,K=。 PK=

3Eo/ T U￣ X=

1

K的选择应综合考虑控制系统的控制周期、切换绕组引起的电机参数突变、变频器的调整时间运行速度的调整变化率和实际负载的扰动情况等因素对电磁力角的影响.针对本文采用的控制系统电机模、

,

型运行中切换电枢绕组引起的电机参数变化较大，负荷扰动幅值较大，试验验证 K取 18,对应的电磁力角 0=3。合适 . 0较.

同步电动机在正常运行时，它的速度应和供电频率保持一致，当电网电压及负载变动时，同步屯机通过调节电磁力角来自动实现同步关系 .但这种调节能力是有一定限制的，当电机受到较大的扰动时有可,

能产生失步现象 .失步后的电压、电流和功率都将发生强烈震荡，对电机造成损坏并且对于垂直运动的永磁直线同步电动机来说，失步时，动子在重力的作用下为此笔者提出了功角控制策略，将稳定性引入直线电机的控制中.,

,

影响使用寿命.

会加速向下滑动，出现故,

障… 为了保证系统稳定运行，控制系统的反应速度要快，变频器的调整时间要短，实现起来比较困难5垂直运动永磁直线同步电动机的功角控制策略

根据前面的力角特性和稳定性分析，垂直运动永磁直线同步电动机运行点应离稳定极限有一定的距

离，考虑过载倍数，设

定一个电磁力角 0,将电机推力控制在 0,附近

保证电机运行在稳定区，且单位电流产生的推力相对最大.根据实测电磁力角的大小，判断电机是否进入不稳定区当电磁力角 0接近临,,

界稳定工作点时，电机可能进入不稳定工作区，根据前面分析，可以通过降低供电频率，增大电磁推力来防止失步的产生，其调节过程如图 4所示 .

设正常情况下电机运行于图 4曲线 1中的 a点，当出现大的

,

r

扰动时 (如电压下降),力角特性由曲线 1变为曲线 2,由于动子惯性，此时 0角不能突变，由 b点沿曲线 2向 c运动，当运行到点 c时，进入临界稳定区，此时根据功角控制策略应降低供电频点率.减小供电频率后，力角特性由曲线 2变为曲线 3 应的电，0对磁推力大大增加，大于负载阻力，使动子加速，一直沿着曲线 3从 e运行到点，直到动子恢复到同步速度，此时作用在动子上点

/。g

.

图 4功角控制原理Fg4 T ecnrlh oyo o e J l i. h ot er f w r 1 ot p ag

的负载力与电磁推力不平衡，动子将加速，0角减小，运行点将向g点运动，在 g点附近经过几次衰减振荡后，最终稳定运行于 g点,

因此可以有效地防止失步的产生 . 控制系统原理如图 5所示，由工业控制计算机 (P、可编程控制器 ( L IC) P C)变频器、电流传感器、、

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20年第3卷 05 O

电压传感器、位置传感器、A D//、D A模板等组成. 工业计算机主要完成对控制系统检测和运行状态诊断， 采集电机的运行总电流、各组电机的运行电流，并通过通信接口与 P C联系，完成整个运输系统的监视.电机的运行信 L号，如位置信号、启动信号等由 P C通过通信口送往计算机， L 其中位置信号用来确定绕组切换 . P C机由主机、A D板和/ D A板组成 .可编程控制器主要实现直线电机驱动的垂直运/输系统的控制，采集电机的位置信号、装载信号、下降信号等运行状态；实现直线电机运行时的绕组切换、变频器的正反转，并驱动显示器件指

示运行状态.

一

由文献[]和[]可知，永磁直线同步电动机的位置 1 2(角 ) 0以表示为功可

0詈一) ,= ( D=卜式中，。同步速度；D为直线电机动子的实际运行距离， 为 由于动子每走完一个极距后 d的值应等于 . r,则 D应为走过的极距之和加上当前 d的绝对值，即 D=n . IdI r+ ,n为动子经过的极距数. 针对分段式永磁直线同步电动机端部半空槽的特殊结构，

可以在各段电机的边端半空槽中附加传感线圈以检测动子在运行过程中所感应的空载电势的变化，从中解出动子的位置

d和速度，进一步计算出功角最后，将功角的测量值与设定值 0比较，经模糊控制算法得出频率给定值，将直线电机 的工作点控制在稳定区，使电磁推力满足负荷要求.系统软件流程如图 6所示 .

6试验结果分析实验方法：首先让永磁直线电机载荷 6 0 k 0 g运行，电压为 1 9 V,电机运行速度为 0 5 1 m s 8 . 0 /,然后再增加负荷图 6软件流程F g 6 F o h r o ot r i. lw c a t fs f wa e

20k,观察计算机显示的加载前后的直线电机的功角 0和 0 g速度值 .

图 7 ( )为永磁直线电机的运行速度测试；图 7 ( )为功角 0测试 .图中直线电机的功角 0和速度 a b

图 7测试曲线F g Te tc v s iz7 s ur e

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张宏伟等：永磁直线同步电动机功角控制策略的研究

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的波动是在突加荷重时引起的.由图 7 ( )可以看出，在载荷 60k情况下，再突加荷重 20k a 0 g 0 g时，速度迅速减小至 0 3m s . /,功角增大到 3。 9,此后速度波动 0 3S稳定在 0 3m s .后 ./,功角减小至 1。 5 .这是由

于遇到大的扰动时，功角一旦超过设定角，功角控制器会降低直线电机的速度来提高推力，以减小功角大小，提高系统的稳定性 .

7结

论

( )将电机的稳定控制引入到最大推力控制中，提高了垂直运动永磁直线同步电动机运行的稳定性、 1 可靠性. ( )电磁力角控制策略直接控制直线电机的电磁

力角，其速度跟踪良好；利用供电频率变化对力角 2特性的影响，可有效预防失步的产生 .

( )将电机的工作点控制在 0=0,既满足了稳定的要求，又保证电机单位电流产生的推力相对最 3 大，提高了电机的运行效率 .参考文献：[]王福忠，汪旭东，焦留成，等 .同步电动机电磁力角与最大推力控制策略的研究[] 1 J .煤炭学报，20,2 ( ) 01 6 3:3 07~31 2.

[] T sik E o t,T i k skng,M sy t a t 1 p l ao f P ot loteL M frh p- s l 2 ohai nmo o a ueT uiaa aaaWa d,e a s a .A pi t no Tcn o t h S er el s e ci MP r ot o e e - vt A .L I2 0 rceig C,U ao r[] DA 0 3Poedns[] K:Br n hJ 0 3 0 i ga mi m,20 .3 7~30 1.[] 3 T r,I n oi i S z oN,Wa d u t aM,e a.teD s no ed v ytm o S rr el s lvtr s gtem xm l pw r a t 1 h ei fh r ess f M f o— s ea i ai u o e g t i e L o p e e oun h n o n t cigcn o m to A] r .o tl n.o o e et n,M c i n r e P MD)[] a, p i akn ot l ehd[ .P c fn’ o f nPw r lc ois ahnsadD vs( E tr r o I C E r c e i C .B t hUni d ng m,20 2. 63~ 6 3. t Ki do e 0 8 4

[]焦留成 .垂直运动永磁直线同步电动机运行特性分析[]中国电机工程学报，2 0,2 ( ) 3 4 . 4 J. 0 2 2 4: 7- 0[]焦留成 .垂直运动永磁直线同步电动机电磁参数及特性研究[ .北京：中国矿业大学 (京) 9 8 5 D]北，19 . []韦立祥，刘丛伟，李崇坚，等 .同步电动机失步保护及自动再整步的研究及实现[]中国电机工程学报，19, 6 J. 9 91 ( ) 0~3 . 9 9:3 4

[]许实章 .电机学 ( )[ .北京：机械工业出版社，19 . 7下 M] 90

20 0 6年《炭学报》征订启事

煤《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的、向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物 .主要刊载煤田地质与勘探、煤矿开采、矿山测量、矿井建设、煤矿安全、煤矿机械工程、煤矿电气工程、煤炭加

工利用、煤矿环境保护等方面的科学研究成果论著和学术论文，以及煤矿生产建设、企业管理经验的理论总结，￣-载重要学术问题的讨论及国内外煤炭科学技术方面的学术活动简讯 . r, J 《煤炭学报》刊载的论文具有较高的学术价值和文献收藏价值，被 E、IAC a A sat DR M、中 i E ol btc—O r C 国科学引文数据库、S I C、科学技术文摘速报 (日本 ) ol glhs中国学术期刊文摘等国内外 2 、C a Hi i t、 hg 0多种重要文摘检索系统所收录. 19 92年荣获首届全国优秀科技期刊评比二等奖，中国科学技术协会优秀学术期刊二等奖，北京市新闻出版局、北京市科学技术期刊编辑学会全优期刊奖. 19 9 6年荣获第二届全国 优秀科技期刊评比一等奖，中国科学技术协会优秀科技期刊一等奖. 19 9 9年荣获首届国家期刊奖.2 0 04年入选百种中国杰出学术期刊 . 《煤炭学报》深受广大作者、读者的爱护和支持，也受到各级部门的重视，在学术水平上具有较高的地位，很多单位都将在《炭学报》发表的文章作为作者学术水平考核指标之一 .煤 《煤炭学报》是双月刊，每期 16页，每册订价 1.o元，全年共收费 180 3 8o 0.0元.欲订阅者可直接与本编辑部联系，编辑部随时办理订阅手续. , 本刊地址：北京市和平里煤炭科学研究总院内《炭学报》编辑部邮政编码： 0 03煤 10 1联系电话：( 1 )8 2 2 3,E— i tb j@1 6 cm,m x@r . 6 . o 00 46 90 ma:m x hp 2 . o l tb i 1 3 cm p

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