CN114499282A - 一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，涉及永磁调速技术领域。该方法首先设置电动机拖动恒转矩负载的软起动时间，并计算软起动时电动机的平均加速度；再设置永磁调速装置处于最大气隙位置，使电动机实现空载起动；然后永磁调速装置启动，减小永磁调速装置的气隙，使永磁调速装置输出端转速大于0；计算永磁调速装置输出转矩、恒转矩负载装备的转矩及永磁调速装置输出转速加速度；进行PID调节，使永磁调速装置输出实时转速加速度等于软起动时电动机的平均加速度；最后调整永磁调速装置的气隙大小，使电动机达到额定转速，完成电动机拖动恒转矩负载软启动。该方法能够保证恒扭矩负载软启动，缓解装备直起直停对电机产生的重载冲击。
Description
技术领域
本发明涉及永磁调速技术领域，尤其涉及一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法。
背景技术
随着我国工业现代化的不断发展，带式输送、刮板输送机等恒扭矩装备得到了广泛的使用。但是在使用中发现，直启直停对电机造成重载冲击，易引发电机过载烧毁、断轴等设备故障，需停产维修，经济损失严重。解决以上问题的方法是通过软启动技术改变电动机或电动机通过传动系统的转速，使输出端转速以恒定加速度缓慢上升，以实现软启动来避免重载冲击。可靠的传动软启动系统是电动机及负载稳定运行的重要保障，传统的传动软启动系统主要有变频器、液力偶合器及CST等。变频器产生的电应力易导致大型电机轴承失效，其根源是交变磁通在转轴两端产生感应轴电压，若轴电压超过油膜的击穿阈值，就会产生击穿电流，使轴承滚道表面温度升高，导致滚道产生点熔，最后发展成凹槽，导致轴承失效。此外，变频器谐波干扰严重，也会导致电机气隙磁场不平衡，加剧轴电压形成及击穿电流的发展，且大功率变频器投资规模大，需要开辟单独的场地，建立变频室及冷却室，额外增加资金投入。液力偶合器采用油介质传动，湍动能损失严重，传递效率低；过载运行时喷油保护自身，造成环境污染，且需频繁更换易熔塞，维护繁琐。同时，现场采用的大功率变频器及液力偶合器多为国外进口，一旦设备故障，售后手续复杂，售后周期冗长，难以保证持续稳定生产。CST是一种机电液系统高度集成在一起的机电设备，整机性能可靠性要求较高，操作较复杂，目前多依赖进口设备，现场使用工人上手难，后期使用维护成本较高。
永磁调速系统采用非接触式磁力传动，无谐波干扰，不产生电应力，不损害电机轴承；且为纯机械结构，无需介质，冷却系统采用自然风冷却而非传统设备的液体冷却，应用于恒扭矩式负载时，整机结构简单，传动效率高，运行十分可靠。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，通过调节永磁体与铜盘气隙控制转速及扭矩，保证恒扭矩负载软启动，缓解装备直起直停对电机产生的重载冲击。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，
设置恒转矩负载软启动系统中电动机拖动恒转矩负载的软起动时间，并计算软起动时电动机的平均加速度；
设置永磁调速装置处于最大气隙位置，使电动机实现空载起动；
永磁调速装置启动，减小永磁调速装置的气隙，使永磁调速装置输出端的转速大于0；
计算永磁调速装置输出转矩、恒转矩负载装备的转矩及永磁调速装置输出转速加速度；
进行PID调节，使永磁调速装置输出实时转速加速度等于软起动时电动机的平均加速度；
调整永磁调速装置的气隙大小，使电动机达到额定转速，完成电动机拖动恒转矩负载软启动。
优选地，所述恒转矩负载软启动永磁调速控制方法具体包括以下步骤：
步骤1、开始阶段，永磁调速装置处于最大气隙状态，电动机未启动，在控制系统的人机界面设置电动机拖动恒转矩负载的软起动时间；
步骤2、控制器单元根据设置的软起动时间，计算出软起动时电动机的平均加速度；
步骤3、起动电动机，设置永磁调速装置处于最大气隙位置使电动机实现空载起动；
步骤4、永磁调速装置启动，通过控制器单元驱动电动执行机构，减小永磁调速装置的气隙；
步骤5、通过转速传感器测量永磁调速装置输出端的转速，送至控制器单元，控制器单元判断转速是否大于0，如果不大于0，则继续减小永磁调速装置的气隙，否则，执行步骤6；
步骤6、当永磁调速装置输出端的转速大于0时，控制器单元计算得出永磁调速装置输出转矩；
步骤7、控制器单元计算得出恒转矩负载装备的转矩；
步骤8、根据永磁调速装置输出端的转速传感器测量数据，控制器单元实时计算出永磁调速装置输出转速加速度；
步骤9、设置控制器单元内部的PID调节，根据PID调节的输出控制电动执行机构调整永磁调速装置的气隙大小，使永磁调速装置输出实时转速加速度等于软起动时电动机的平均加速度；
步骤10、通过转速传感器测量值计算当前永磁调速装置输出端转速值，判断电动机是否达到额定转速，如果未达到电动机额定转速，则继续进行PID调节，调整永磁调速装置气隙大小；如果达到电动机额定转速，则电动机拖动恒转矩负载软启动完成，不再进行PID调节，不再调整永磁调速装置的气隙。
优选地，所述恒转矩负载软启动系统包括电动机、永磁调速装置、减速机、恒转矩负载、控制器单元、电动执行机构和数据采集单元；其中，数据采集单元包括输入端转速传感器、输出端转速传感器、输入端红外温度传感器、输出端红外温度传感器和轴承温度传感器；数据采集单元采集的数据传输至控制器单元；控制器单元包括人机界面，并根据接收的数据进行PID调节，调节电动执行机构位置，进而调节永磁调速装置的气隙，实现对转矩负载的软启动。
优选地，所述软起动时电动机的平均加速度，如下公式所示：
aT＝n0/t
其中，aT为软起动时电动机的平均加速度，n0为电动机的额定转速，t为电动机拖动恒转矩负载的软起动时间。
优选地，所述永磁调速装置输出转矩如下公式所示：
T＝f(n,g)
其中，T代表永磁调速装置输出的转矩；n代表永磁调速装置输出端转速；g代表永磁调速装置的气隙大小，f()表示连续变化的曲面方程。
优选地，所述恒转矩负载装备的转矩如下公式所示：
T1＝T-J*(dω/dt)＝T-(πJ/30)*(dn/dt)＝T-Cpa
其中，T1为恒转矩负载装备的转矩；J为恒转矩负载装备的转动惯量；a为永磁调速装置输出转速加速度；ω为恒转矩负载装备转动角速度；Cp为和恒转矩负载装备有关的常数。
优选地，所述永磁调速装置输出转速加速度如下公式所示
a＝(T-T1)/J
其中，a为永磁调速装置输出转速加速度。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，采用非接触式磁力传动，无谐波干扰，不产生电应力，不损害电动机轴承；且为纯机械结构，无需介质，应用于恒扭矩式负载时，整机结构简单，传动效率高，运行十分可靠。通过调节永磁体与铜盘气隙控制转速及扭矩，可以保证恒扭矩负载软启动，缓解装备直起直停对电机产生的重载冲击，避免电动机断轴、滚筒磨损、皮带断裂等问题，保障煤机设备安全运行。
附图说明
图1为本发明实施例提供的恒转矩负载软启动系统的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以某恒转矩负载软启动系统为例，采用本发明的恒转矩负载软启动永磁调速控制方法实现对该负载的软启动。该恒转矩负载软启动系统如图1所示，包括电动机、永磁调速装置、减速机、恒转矩负载、控制器单元、电动执行机构和数据采集单元；其中，数据采集单元包括输入端转速传感器、输出端转速传感器、输入端红外温度传感器、输出端红外温度传感器和轴承温度传感器；数据采集单元采集的数据传输控制器单元；控制器单元包括人机界面，并根据接收的数据进行PID调节，调节电动执行机构位置，进而调节永磁调速装置的气隙，实现对转矩负载的软启动。
本实施例中，一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、开始阶段，永磁调速装置处于最大气隙状态，电动机未启动，在控制器单元的人机界面设置电动机拖动恒转矩负载的软起动时间，记为t(单位：秒)；
步骤2、控制器单元根据设置的软起动时间t，计算出软起动时电动机的平均加速度aT，如下公式所示：
aT＝n0/t
其中，n0为电动机的额定转速，单位为r/min；
步骤3、起动电动机，设置永磁调速装置处于最大气隙位置，只能传递很小的转矩，并不能带动负载；因此，使电动机实现空载起动，减少电动机峰值电流持续时间，削弱电动机起动过程中电网的压降；
步骤4、永磁调速装置启动，通过控制器单元驱动电动执行机构，减小永磁调速装置的气隙；
步骤5、通过转速传感器测量永磁调速装置输出端的转速，送至控制器单元，控制器单元判断转速是否大于0，如果不大于0，则继续减小永磁调速装置的气隙，否则，执行步骤6；
步骤6、当永磁调速装置输出端的转速大于0时，控制器单元计算得出永磁调速装置输出转矩；
由于永磁调速装置的传递特性在特定区域是一个单调变化的连续曲面，设定永磁调速装置输出的转矩在此区域的数学方程为：
T＝f(n,g)
其中，T代表永磁调速装置输出的转矩，单位为Nm；n代表永磁调速装置输出端转速，单位为r/s；g代表永磁调速装置的气隙大小，单位为mm，f()表示连续变化的曲面方程；
步骤7、控制器单元计算得出恒转矩负载装备的转矩；
在电动机起动后，使用电动执行机构对永磁调速装置的气隙进行调节；随着永磁调速装置气隙的增加，其传递转矩T也随着增加，直到恒转矩负载装备开始动作，控制器单元记录此时永磁调速装置的气隙大小，通过以下特性方程求出本次起动过程中恒转矩负载装备的转矩T1：
T1＝T-J*(dω/dt)＝T-(πJ/30)*(dn/dt)＝T-Cpa
其中，J为恒转矩负载装备的转动惯量，单位为Nm*s2；a为永磁调速装置输出转速加速度，单位为r/s2；ω为恒转矩负载装备转动角速度，单位为r/s；Cp为和恒转矩负载装备有关的常数；
步骤8、根据永磁调速装置输出端的转速传感器测量数据，控制器单元实时计算出永磁调速装置输出转速加速度a，如下公式所示：
a＝(T-T1)/J
其中，a为永磁调速装置输出转速加速度，r/s2；
步骤9、设置控制器单元内部的PID调节，根据PID调节的输出控制电动执行机构调整永磁调速装置的气隙大小，使永磁调速装置输出实时转速加速度a等于软起动时电动机的平均加速度aT，即a＝aT；
步骤10、通过转速传感器测量值计算当前永磁调速装置输出端转速值，判断电动机是否达到额定转速，如果未达到电动机额定转速，则继续进行PID调节，调整永磁调速装置气隙大小；如果达到电动机额定转速，则电动机拖动恒转矩负载软启动完成，不再进行PID调节，不再调整永磁调速装置的气隙。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (7)
1.一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：
设置恒转矩负载软启动系统中电动机拖动恒转矩负载的软起动时间，并计算软起动时电动机的平均加速度；
设置永磁调速装置处于最大气隙位置，使电动机实现空载起动；
永磁调速装置启动，减小永磁调速装置的气隙，使永磁调速装置输出端的转速大于0；
计算永磁调速装置输出转矩、恒转矩负载装备的转矩及永磁调速装置输出转速加速度；
进行PID调节，使永磁调速装置输出实时转速加速度等于软起动时电动机的平均加速度；
调整永磁调速装置的气隙大小，使电动机达到额定转速，完成电动机拖动恒转矩负载软启动。
2.根据权利要求1所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
步骤1、开始阶段，永磁调速装置处于最大气隙状态，电动机未启动，在控制系统的人机界面设置电动机拖动恒转矩负载的软起动时间；
步骤2、控制器单元根据设置的软起动时间，计算出软起动时电动机的平均加速度；
步骤3、起动电动机，设置永磁调速装置处于最大气隙位置使电动机实现空载起动；
步骤4、永磁调速装置启动，通过控制器单元驱动电动执行机构，减小永磁调速装置的气隙；
步骤5、通过转速传感器测量永磁调速装置输出端的转速，送至控制器单元，控制器单元判断转速是否大于0，如果不大于0，则继续减小永磁调速装置的气隙，否则，执行步骤6；
步骤6、当永磁调速装置输出端的转速大于0时，控制器单元计算得出永磁调速装置输出转矩；
步骤7、控制器单元计算得出恒转矩负载装备的转矩；
步骤8、根据永磁调速装置输出端的转速传感器测量数据，控制器单元实时计算出永磁调速装置输出转速加速度；
步骤9、设置控制器单元内部的PID调节，根据PID调节的输出控制电动执行机构调整永磁调速装置的气隙大小，使永磁调速装置输出实时转速加速度等于软起动时电动机的平均加速度；
步骤10、通过转速传感器测量值计算当前永磁调速装置输出端转速值，判断电动机是否达到额定转速，如果未达到电动机额定转速，则继续进行PID调节，调整永磁调速装置气隙大小；如果达到电动机额定转速，则电动机拖动恒转矩负载软启动完成，不再进行PID调节，不再调整永磁调速装置的气隙。
3.根据权利要求1所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述恒转矩负载软启动系统包括电动机、永磁调速装置、减速机、恒转矩负载、控制器单元、电动执行机构和数据采集单元；其中，数据采集单元包括输入端转速传感器、输出端转速传感器、输入端红外温度传感器、输出端红外温度传感器和轴承温度传感器；数据采集单元采集的数据传输至控制器单元；控制器单元包括人机界面，并根据接收的数据进行PID调节，调节电动执行机构位置，进而调节永磁调速装置的气隙，实现对转矩负载的软启动。
4.根据权利要求1所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述软起动时电动机的平均加速度，如下公式所示：
aT＝n0/t
其中，aT为软起动时电动机的平均加速度，n0为电动机的额定转速，t为电动机拖动恒转矩负载的软起动时间。
5.根据权利要求4所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述永磁调速装置输出转矩如下公式所示：
T＝f(n,g)
其中，T代表永磁调速装置输出的转矩；n代表永磁调速装置输出端转速；g代表永磁调速装置的气隙大小，f()表示连续变化的曲面方程。
6.根据权利要求5所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述恒转矩负载装备的转矩如下公式所示：
T1＝T-J*(dω/dt)＝T-(πJ/30)*(dn/dt)＝T-Cpa
其中，T1为恒转矩负载装备的转矩；J为恒转矩负载装备的转动惯量；a为永磁调速装置输出转速加速度；ω为恒转矩负载装备转动角速度；Cp为和恒转矩负载装备有关的常数。
7.根据权利要求6所述一种恒转矩负载软启动永磁调速控制方法，其特征在于：所述永磁调速装置输出转速加速度如下公式所示
a＝(T-T1)/J
其中，a为永磁调速装置输出转速加速度。
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