当电机的转速低于其临界转速时,电机的转矩/转速特性曲线的斜率改变符号。对于恒转矩负载,这时电机就发生堵转现象。对于泵类负载,由于负载转矩变化正比于转速变化的平方,负载转矩/转速特性斜率大于电机转矩/转速特性斜率,系统是静态稳定的,故电机不会发生堵转,但这时泵系统工作点(如c点,d点)的动态稳定性远差于转速高于临界转速时(如a点,b点)的动态稳定性。这时小的负载扰动就引起较大的转速波动,甚至引起系统振荡。流量和压力的变化被非压缩性的液体迅速传递到流经的管道和阀门,导致泵系统产生喘振和噪声。
采用有功功率闭环的软停控制异步电机驱动的泵类负载在线性斜坡降压软停时,系统的稳定性变差,这是异步电机的固有特性决定的。线性斜坡降压软停控制方式是开环控制,因此不能抑制泵系统振荡的发生。要解决泵系统软停时的振荡问题,必须采用闭环控制。引入转速闭环控制可以解决振荡问题,但需要安装额外的测速装置,这对泵类负载通常是不可行的。笔者通过研究,选取有功功率作为控制量来进行闭环控制,较好地解决了泵系统软停问题。
有功功率闭环的软停控制原理通过研究泵系统基本关系式(2),可以得出泵系统的又一个特性:W2W1=T2N2T1N1WN2N13(3)式中W负载功率即泵系统的负载功率的变化与转速变化的3次方成正比。
对于异步电机驱动的泵系统,电机的有功功率主要有3部分构成:P=PT+PCu+PFe(4)式中P电机的有功功率PT电机输出的机械功率PCu电机的铜耗PFe电机的铁耗通常电机轴同泵是直接连接的,基本没有传动损耗,故电机输出的机械功率基本全部被泵负载消耗。机械功率在电机的有功功率中占绝大部分的比重,因此如果忽略电机的铜耗和铁耗,可以得出如下关系:P2P1UPT2PT1=W2W1WN2N13(5)即:P2P1WN2N13(6)式(6)说明电机的有功功率是转速的函数,并且这种关系是单调的,即对给定的电机有功功率,则将有唯一的泵转速与之对应。
如果将电机的有功功率进行闭环控制,在给定的有功功率下,异步电机的转矩/转速特性将变成如中曲线A、B、C和D的形状。有功功率闭环控制改善了异步电机的转矩/转速特性,使得泵系统的工作点具有较好的稳定性,中泵系统工作点的稳定性同比较有很大的提高。当有功功率给定按一定的规律降低时,如所示,泵系统的工作点从a点沿泵系统负载特性曲线E向b点、c点、d点方向移动,泵转速得以平稳地降低。
试验结果按的控制结构在异步电机软起动器的基础上实现了泵系统软停控制。控制器以80C196KB为核心,利用80C196自身的A/D通道以1kHz左右的速率实时采样电机的相电压和相电流,并利用数字锁相环来提高采样的相位稳定性和有功功率测量的精确度。控制器采用数字PID算法来调节有功功率环和电流环,并在30kW异步电机上进行了试验。是用数据采集仪记录的软停时电机电流波形,其中软停时间设为30秒,最大软停电流设为额定电流的2倍。原先在线性斜坡降压开环控制下软停发生振荡,在有功功率/电流双闭环控制下能够平稳地停机,电流波形显示软停过程中电机电流变化平稳,电机转矩变化平稳,电机转速平稳下降,没有发生振荡。停机的时间可按要求在0120秒之间任意设定。停机过程中,电机电流在电流环的控制下始终保持在设定的最大软停允许电流以下。
结论异步电机驱动的泵系统应用很广,但必须解决好泵起停时的冲击、喘振和噪声问题。变频器可以提供良好的性能,但较为昂贵。在性能要求不很高和不需要调节流量的场合,常用的异步电机软起动器能够提供较好的起动性能,但软停性能较差。采用本文介绍的有功功率/电流双闭环控制方法后,能在软起动器的基础上实现较好的软停控制功能,有效地解决了异步电机驱动的泵系统起停时的冲击、喘振和噪声问题,是一种性价比较高的泵控制方案。