CN103219940A

CN103219940A - 一种电动机振动抑制方法

Info

Publication number: CN103219940A
Application number: CN2012104297874A
Authority: CN
Inventors: 杨耕; 赖成毅; 潘淼; 梁之龙
Original assignee: Dongfang Hitachi Chengdu Electric Control Equipment Co Ltd
Current assignee: Dongfang Hitachi Chengdu Electric Control Equipment Co Ltd
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种电动机振动抑制方法，包括如下步骤：（1）启动阶段：系统空载启动，计算控制器的电压给定值；（2）进行随机PWM调制，得到变频器输出电压；（3）系统接入风机或水泵负载；（4）控制系统检测到风机或水泵出力不足或过剩时增加或降低电压给定信号的频率和幅值；（5）根据电压给定值，控制系统控制变频器进行随机PWM调制，得到输出电压；（6）增加或降低电压给定信号的频率和幅值过程，持续到控制系统检测到风机或水泵出力满足实际需求。本发明具备的有益技术效果是：控制方法通用性强，不涉及电机内部参数；控制方法实施简便，可直接用于现有的风机系统，不需要改变机械结构或在电机轴上加装速度传感器以构成速度反馈。

Description

一种电动机振动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种振动抑制方法，尤其涉及一种电动机振动抑制方法。

背景技术

发电厂、炼油厂等场合需要大量使用风机和水泵（引风机、送风机、泥浆泵、冷却泵等）。在这些系统中采用变频调速装置作为电源拖动风机和水泵变速运行，从而满足调速以及节能的工艺要求。目前这类变频调速系统的典型拓扑结构如图1所示。它主要由变频器、电动机、膜片联轴器、传动轴、风机（或水泵）及其负载，以及系统控制器这几部分组成。电动机定子侧通过变频器连接至电网，电动机转子侧经膜片联轴器和传动轴连接至风机水泵类负载，系统控制器实时监控风机（或水泵）出力情况从而控制变频器输出。

变频调速是一种通过改变电源频率来调节电动机的转速的控制方法。在变频调速风机（或水泵）系统中，控制系统控制变频器输出电压的频率改变电机转速，从而改变经膜片联轴器和传动轴连接到电动机上的风机（或水泵）的转速。

由于现场安装位置的限制，系统的传动轴一般较长。因此从动力学的角度出发，图1中的电动机转子、风机（或水泵）旋转部分和传动轴构成一个多质量块系统。其中最为典型的是双质量块系统，如图2所示，图中T_M是电动机的电磁转矩，T_L是风机水泵类负载，ω_M是电动机转子转速，ω_M是风机（或水泵）转速，J_M是电动机转子转动惯量，J_L是风机（或水泵）旋转部分转动惯量，k_s是传动轴的弹性系数。双质量块系统属于典型的二阶系统，具有多阶确定的谐振频率。在图1的变频器输出是理想电压的情况下，即电压不包含谐波时，电动机的稳态电磁转矩应该是平稳无振荡的。但实际情况中，变频器的输出电压中会或多或少含有谐波，这些谐波会造成电动机电磁转矩中包含非直流分量，即电磁转矩振荡。当电机的电磁转矩振荡频率接近机械传动系统的共振频率时，会引起机械传动系统中扭转矩不为零或增大的共振，即轴系扭振问题。如果轴系的扭振转矩过大并持续一段时间，会造成严重的设备损坏。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电动机振动抑制方法，可以在不改变现有系统机械结构的情况下，有效减小电动机电磁转矩振荡的幅值，从而缓解轴系扭振问题。

本发明采用如下技术方案实现：

一种电动机振动抑制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

（1）启动阶段：电动机的额定电压是U₀(V)，额定频率是f₀(Hz)，系统空载启动，计算控制器的电压给定值：控制系统采用恒压频比的方式，电压给定信号的频率经时间t₁从0线性增加到f₁，期间电压给定信号的幅值从0线性增加到

，其中k＞1，t₁和f₁的选取由现场需求决定；

（2）根据步骤（1）中计算得到的电压给定值，控制系统控制变频器进行随机PWM调制，得到变频器输出电压；

（3）启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

（4）在带载运行过程中，控制系统检测到风机或水泵出力不足或过剩时，向变频器发出控制指令，增加或降低电压给定信号的频率和幅值。其中电压给定信号的频率U和幅值f应保持

的弱磁关系，其中k＞1；

（5）根据步骤（4）中计算得到的电压给定值，控制系统控制变频器进行随机PWM调制，得到输出电压；

（6）增加或降低电压给定信号的频率和幅值过程，持续到控制系统检测到风机或水泵出力满足实际需求。

进一步的，在步骤（1）中，k的取值是1.1-1.9。

进一步的，在步骤（4）中，k的取值是1.1-1.9。

本发明具备的有益技术效果是：控制方法通用性强，不涉及电机内部参数；控制方法实施简便，可直接用于现有的风机系统，不需要改变机械结构或在电机轴上加装速度传感器以构成速度反馈。

附图说明

图1是现有技术中变频调速风机水泵系统的典型拓扑结构。

图2是电机转子、膜片联轴器、传动轴和风机（或水泵）旋转部分等效的双质量块系统。

图3是双质量块系统的数学模型。

图4是本发明实施例的仿真结果图。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

以技术背景部分已经介绍过的最为简单的双质量块系统为例，该系统具有一定的谐振频率f_n为：

f_{n} = \frac{1}{2 π} \sqrt{k_{s} (\frac{J_{M} + J_{L}}{J_{M} J_{L}})}

风机水泵类负载具有转矩与转速平方成正比的性质，因此该系统的数学模型如图3所示，其中T_M是电动机的电磁转矩，ω_M是电动机转子转速，ω_M是风机（或水泵）转速，J_M是电动机转子转动惯量，J_L是风机（或水泵）旋转部分转动惯量，k_s是传动轴的弹性系数，k是风机（或水泵）负载的负载系数。当电动机电磁转矩中包含谐振频率f_n附近的频率分量时，会激发系统谐振——这就是轴系扭振的原理。在不改变现有系统机械结构的前提下，要抑制轴系扭振，应该减少电动机电磁转矩的谐波中与f_n相同分量的幅值。

造成电动机电磁转矩包含系统谐振频率f_n附近的谐波分量的原因有多种，本发明主要针对以下两方面原因：一方面是变频器输出的电压并不是只包含单一频率的基波分量，还包含谐波。基波电压和谐波电压会在电动机定子电流中引入相应的基波分量和谐波分量，进而产生电动机电磁转矩震荡；另一方面是系统控制指令发生较大变化时，电动机电磁转矩也将产生相应的动态响应。根据信号与系统的知识，这个动态响应必然会包含多个频率分量。

针对上述两方面原因，本发明的内容主要包含两个方面：

1、第一方面，在系统运行时，为抑制由变频器电压谐波引起的电动机电磁转矩振荡，1）根据变压变频装置及电机学的知识，采用弱磁控制的思想，即保持变频器输出电压频率不变，减小变频器输出电压幅值，从而实现在电机转速几乎不变的情况下，电机转矩震荡幅值减小；2）在控制指令变化中，采用斜坡信号或S曲线信号，避免出现阶跃信号；

2、第二方面，在系统软件中，减少PWM调制产生的某些特定的次谐波含量。目前常用的PWM调制的方法中，控制芯片中的寄存器位数有限，因此在寄存器中存储数值时会产生截断误差。当PWM调制正弦波这样的周期性信号时，存储调制波信号的寄存器的截断误差也是周期性的，会使PWM输出电压中包含某些特定的次谐波。如果这些次谐波和基波电压产生的电动机电磁转矩震荡频率在系统谐振频率f_n附近时，会引起系统谐振。采用随机PWM调制的思想，在调制波信号中加入随机数，破坏寄存器截断误差的周期性，削弱PWM输出电压中这些特定的次谐波的含量，即可减少电动机电磁转矩震荡中的f_n分量。

根据上述思想和原理，本实施的控制方法包括如下步骤：

，其中k＞1，t₁和f₁的选取由现场需求决定；作为本步骤的优选， k的典型取值是1.1-1.9。

（3）启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

的弱磁关系，其中k＞1；作为优选，本步骤中k的典型取值是1.1-1.9；

下面以具体实例说明本发明控制方法的控制效果。该实例数据来自于Rockwell公司提供的某炼油厂中的一套引风机。其主要参数如下：电动机额定电压U₀=400V，额定频率f₀=50Hz，电动机转子转动惯量J_M=49.04kgm²，风机旋转部分转动惯量J_L=285.57kgm²，传动轴的弹性系数k_s=1.35×10⁶Nms/rad，风机负载的负载系数k=0.1。经过计算，该引风机系统的谐振频率约为28.5Hz。

采用本发明的控制方法，在MATLAB环境下进行抑制引风机系统轴系扭振实验，仿真结果如下：

仿真结果表示不同情况下传动轴的扭矩，横轴表示时间，纵轴表示传动轴的扭矩。控制器采用传统PWM调制方式，在满磁控制的情况下，输出电压频率为0.8p.u.，幅值为0.8p.u.时，传动轴扭矩的波形为图4（a）；控制器采用传统PWM调制方式，在弱磁控制

的情况下，输出电压频率为0.8p.u.，幅值为0.7651p.u.时，传动轴扭矩的波形为图4（b）；控制器采用随机PWM调制方式，存储器存储数值时加入满足平均值为0、方差为1的正态分布的随机数，在弱磁控制的情况下，输出电压频率为0.8p.u.，幅值为0.7651p.u.时，传动轴扭矩的波形为图4（c）。由仿真结果可见，采用本发明方法可以有效的抑制引风机系统的轴系扭振问题。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种电动机振动抑制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

，其中k＞1，t₁和f₁的选取由现场需求决定；

（3）启动完成后，系统接入风机或水泵负载；

（4）在带载运行过程中，控制系统检测到风机或水泵出力不足或过剩时，向变频器发出控制指令，增加或降低电压给定信号的频率和幅值，其中电压给定信号的频率U和幅值f应保持

的弱磁关系，其中k＞1；

2.根据权利要求1所述的基于变频控制的抑制系统轴系扭振的控制方法，其特征在于，在步骤（1）中，k的取值是1.1-1.9。

3.根据权利要求1或2所述的基于变频控制的抑制系统轴系扭振的控制方法，其特征在于，在步骤（4）中，k的取值是1.1-1.9。