永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机研究

永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机研究 永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机 研究 第34卷第6期 Vo1.34No.6 锻尼技’ FORGING&STAMPlNGTECHNOLOGY 2009年12月 Dec.2009 永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机研究 冯仪,I黄树槐J,李军超,熊晓红 (华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室,湖北武汉430074) 摘要:转矩的快速响应和稳定输出是电动螺旋压力机稳定运行的关键.本文介绍了齿轮传动的电动螺旋压力机工 作原理,讨论了永磁交流同步电机矢量控制技术的基本原理,提出了大功率永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压 力机交流伺服系统控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .通过实验,显示了其在转矩控制方面的优越性能,并有效控制了电机的启动电流和温 升,实现了电动螺旋压力机的长期稳定运行.所研究的成果已应用于实践. 关键词:电动螺旋压力机;永磁交流同步电机;矢量控制;转矩响应;温 升 3940.2009.06.030 DOI:10.3969/j.issn.1000— 中图分类号:TG315.9文献标识码:A文章编 号:1000—3940(2009)06?112—05 Electricscrewpressdrivenbypermanentmagnetsynchronousmotor FENGYi,厨,LIJun-chao,XIONGXiao-hong (StateKeyLaboratoryofPlasticFormingandDieandMouldTechnology,HuazhongUniversityof ScienceandTechnology,Wuhan430074,China) Abstract:Thefastresponseandstableoutputofthetorquearekeytechniquesofelectricscrewpress.Workingprinci— pieoftheelectricscrewpresswithgeartransmissionwasintroduced,basicprincipleoffluxvectorcontrolwasdis— cussed,thenthedrivensolutionsofelectricscrewpressbypermanentmagnetsynchronousmotoroffluxvectorcontrol wereproposed.Thesuperiorperformanceoftorquecontrolwasshownthroughexperiments.Motorstartingcurrent andtemperaturerisingwereeffectivelycontrolled,whichmadetheelectricscrewpressachievelong-termstableopera— tion.Thisresearchhasbeenappliedsuccessfullyinpracticalwork. Keywords:electricscrewpress;permanentmagnetsynchronousmotor~flux vectorcontrol;torqueresponse;tem, peraturerising 电动螺旋压力机采用电机直接驱动飞轮,结构 简单,做功效率高,故障率低,易于维护;打击能 量可精确控制,模具寿命长,成形精度高,制件公 差小,特别适合于精密锻造;因此,在国外得到广 泛应用,吨位从1.6MN到250MN,最大冷击力可 达320MN,是目前除航空用模锻液压机外吨位最 大的模锻设备. 电动螺旋压力机的电机总处于带有大惯量负载 和频繁正反转启动状态的非稳态过程中,若采用直 接启动方案,则启动电流大,对电网有很大的干扰 且电机温升问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 严重;同时,飞轮加速度大小与电 机输出转矩成正比关系,要提高生产效率,就要求 电机在启动阶段的转矩响应快口].华中科技大学是 国内最早研究电动螺旋压力机的单位之一,2O世纪 收稿日期: 基金项目: 作者简介: 电子信箱: 2009—04—07;修订日期:2009—06—07 湖北省科技厅 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中心建设项目(2004AA101E04) 冯仪(198O一),男,博士研究生 Harnani@163.C01ql 8O年代初研制成功了JD58—100型电动螺旋压力 机,但当时受电力电子技术的限制,电机采用直接 起停的控制方案,启动电流高,对电网干扰大,电 机发热严重,无法得到更好的发展. 近年来,电力电子技术和交流调速理论的发展 为克服电动螺旋压力机的关键控制技术难题提供了 解决方案1]j,交流伺服驱动技术进入了工业应用阶 段,表现出极大的优越性,在成形装备的应用领域 也越来越广泛[2].永磁交流同步电机不存在励磁电 流,电流与转矩成正比,能够精确控制电机的转矩, 并且电流不会超调,温升和过载转矩方面存在优势. 基于矢量控制技术的交流伺服系统可以获得象直流 电机一样良好的动态特性,转矩响应快,控制精度 高l3].本文研究了永磁交流同步电机驱动的电动螺 旋压力机交流伺服拖动系统,能有效控制启动电流, 减小电机发热量,提高电机转矩和速度响应,避免 电网干扰. 第6期冯仪等:永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机研究 1机械结构 电动螺旋压力机目前有两种传动形式.一是电 机的转子与螺杆轴连为一体的直接传动形式,如 MOilerWeingarten公司45MN以下的电动螺旋压 力机,日本Enomoto公司的150DS型4]和华中科技 大学20世纪80年代初研制成功的JD58—100型电 动螺旋压力机.这一方案的特点是传动环节少,但 要设计低速,大扭矩专用电机,螺杆导套磨损后会 影响电机的气隙,电机出现故障维修不易.二是电 机经齿轮或皮带传动带动螺杆的形式.如MOiler Weingarten公司PZS系列45~320MN电动螺旋压 力机和日本Enomoto公司的500ZLS型_4采用这一 方案.这一方案的特点是电机转速较高,转矩较小, 可以设计少数几种规格的专用电机系列供不同吨位 压力机使用,电机出现故障时,更换方便,维护简 单_】];同时,螺杆导套磨损后不会影响电机性能. 本文J58K型电动螺旋压力机采用电机经齿轮传动 带动螺杆的传动方案,其主要机械结构如图1所示. 图1J58K型电动螺旋压力机机械结构示意图 1.电机2.小齿轮3.飞轮4.机身5.滑块 Fig.1MainstructureofJ58Kserieselectricscrewpress 驱动电机固定在机身顶部,小齿轮与驱动电机 轴采用摩擦联接,可防止电机超载.电机经小齿轮 带动飞轮和螺杆加速旋转,通过螺旋副将螺杆的旋 转运动转化为滑块的上下往复运动.接收到打击命 令后,电机由静止状态启动,通过齿轮传动带动滑 块加速下行,检测达到预先设置的打击能量时,利 用飞轮储存的动能做功,使制件成形.飞轮释放能 量后,电机立即反转,带动滑块返回至一定高度后, 进入制动状态,使得滑块回到预先设定的打击行程 位置.由于滑块回程时主要靠电机制动,机械制动 器仅在滑块接近上止点时才工作,因而制动材料不 易磨损,不需经常更换?.其运行如图2所示. 白 目 一 \ {醚 潮 飞轮蓄能 损耗能量:下行打击 再生能量,max:回程最大遘 …一一一一一— 图2J58K型电动螺旋压力机运行示意图 Fig.2RunchartofJ58Kserieselectricscrewpress 2驱动方案 电动螺旋压力机每次行程要换向旋转而启动两 次,向下打击时电机转速由0加速到(预选打击 能量对应电机转速),回程反转,又要从0加速到 ..由于电机总处于带有大惯量负载和频繁正,反 向的起动状态,即一直处于”正向启动一陨性停车一 反向启动一制动”的非稳态过程中_】],启动电流大 (若采用直接启动方案,则启动电流可达到额定电流 的4,6倍),速度调节时间长.同时,飞轮加速度 大小与电机输出转矩成正比关系,要想提高滑块的 每分钟行程次数,就要求电机在启动阶段的转矩响 应快.因此,如何减小启动电流,提高转矩的快速 响应能力并控制住电机温升,成为电动螺旋压力机 稳定运行的关键. 2.1永磁交流同步电机 驱动装置是所有机电系统的核心,提供装备所 需动力并实现所需的运动_5].长期以来,重载驱动 场合均采用直流电机,但其结构上存在机械换向和 电刷这一致命弱点;而交流伺服电机功率不足,长 期以来仅仅作为执行元件应用于伺服控制系统,限 制了其在压力机等重载场合的应用.1983年,日本 和美国分别发明了稀土制作的强永磁合金钕铁硼 (NdFeB),经过三代发展,现已成为性能最好的永 磁材料,其磁能积高出铁氧体一个数量级以上[6]. 用这种强磁合金制造的电机具有良好的控制性能, 简单的结构,高功率密度和高效率,在数控机床, 机器人等高性能的伺服领域中获得广泛的应用[6]. 永磁交流同步电机也称PMSM(Permanent MagnetSynchronousMotor),是目前应用最多的高 性能交流伺服电动机.它具有以下特点:很强的过 114锻压技术第34卷 载能力,很宽的调速范围,优异的加减速性能和快 速响应能力,可频繁启动,制动和正反转切换等; 电机轴末端装有位置反馈元件构成闭环伺服控制系 统,控制精度高.从结构上看,其定子有齿槽,内 有三相绕组,形状与普通感应电动机的定子相同, 其转子用强抗退磁的永久磁铁构成,形成励磁磁通. 因此,这种电动机无需励磁电源,效率高.在规定 温升,额定转速以下连续运行时,配以伺服系统驱 动的永磁交流同步电机的稳态转矩,转速特性呈良 好的线性关系. 永磁交流同步电机在正常工作时,应配有磁极 位置检测器,以便于启动时控制住起始位置,提供 转子瞬时角位移信号.这个传感器信号进入交流伺 服驱动器的电流环部分,实现对电动机各相绕组的 电流”换向”或对电流波形的控制.位置传感器可 以用旋转变压器,也可用光电编码器.从结构上看, 旋转变压器有铁心和线圈,结构坚固.旋转变压器 本身完全不带半导体电子元器件,所以非常适合在 较高温度以及恶劣大气环境下工作[3]. 2.2矢量控制的基本原理 交流电动机是一个强耦合,时变的非线性系统, 要分析和求解它的微分方程很难,谋求像直流电机 那样方便的控制更加困难.针对上述问题,1972年 德国西门子公司的BlaschkeF提出了交流电动机的 矢量控制理论_7].它首先应用到感应电机中,改善 感应电机的驱动性能.矢量控制理论的基本思想就 是通过矢量旋转变换和转子磁场定向,以转子磁链 这一旋转空间矢量为参考坐标,将定子电流分解为 相互正交的两个分量,一个与磁链同方向,代表定 子电流的励磁分量,另一一个则与励磁方向正交,代 表定子电流的转矩分量,分别对其进行独立的控制, 得到类似直流电机的解耦的数学模型,使交流电动 机的控制性能得以接近或达到他励直流电动机的性 能. 矢量控制的原理和方法同样可以用于永磁电机, 且更容易实现,因为永磁电机不存在象感应电机中 那样的转差频率电流,所以参数的敏感性问题也就 不很突出和严重.另外,应用高矫顽力和高剩磁感 应的永磁材料,可使永磁电机的功率密度高于感应 电动机,即可以获得更高的转矩/惯量比[8].倘若能 够通过外部条件对电枢磁通势相对励磁磁场进行空 问定向控制,就可以直接控制两者间的空问角度, 即磁场的”角度控制”.若对电枢电流的幅值也能直 接控制,就可将永磁交流同步电机模拟成为他励直 流电机,可以获得和直流电机同样的调速性能.由 于既要控制定子电流空间向量的相位,又需要控制 其幅值,所以称为”矢量控制-Es].在角度控制中, 可以使电枢磁通势与励磁磁场之间角度为9O.正交, 这种情况常称之为”磁场定向”.通过磁场定向,可 以获得良好的去耦特性,使每安培电枢电流产生的 电磁转矩最大,实现对直流电动机的严格模拟r8]. 永磁交流同步电机的简化物理模型如图3所 示],图3中,oa,ob,OC为三相定子绕组的轴线, 是转子磁场的等效磁链,0为转子磁链与定子A 相绕组轴线的电角度. 图3永磁交流同步电机简化物理模型 Fig.3Simplifiedphysicalmodelofpermanent magnetsynchronousmotor 以产生同样的旋转磁场为准则,在满足功率不 变的条件下,通过矢量坐标变换方法,可以将永磁 交流同步电机的各个物理量在静止的三相a,b,c 坐标系和旋转的两相d—q坐标系之间进行变换l_7], 如图4所示.图4中a,b,c为静止坐标系,d,q 为旋转坐标系,以a相绕组轴线为参考轴线,将d 轴固定在转子磁链上,q轴顺着旋转方向超前d 轴9O.,这样就建立起随转子一同旋转的d-q坐标 系,便可方便确立电动机的数学模型,实现相互耦 合的电机参数的解耦. 图4矢量控制坐标系变换示意图 Fig.4Coordinatesystemtransformationoffluxvectorcontrol 3实验 永磁同步电机的关键材料是稀土合金,稀土资 第6期冯仪等:永磁交流同步电机驱动的电动螺旋压力机研究115 源在世界上十分稀缺,而我国恰恰是”稀土超级大 国”,稀土蕴藏量占全球的80,远超世界其他各 国的总和_6],因此永磁同步伺服电机在我国得到大 力发展并取得长足进步.本文选用的交流伺服电机 即为国内登奇公司生产的大功率永磁交流同步电机, 静扭矩为260Nm,额定电流50A.其结构紧凑, 功率密度高;转动惯量小,响应速度快,低速转矩 脉动小,高速运行平稳;采用旋转变压器做为位置 反馈元件并采用全密封设计,耐冲击,运行可靠. 交流伺服驱动器选用德国科比有限公司生产的 KEBCOMBIVERTF5S系列某型号产品,其过载 特性曲线如图5所示.负载超过105时,过载积 分器开始工作;当负载回落后,积分值也往回积; 当积分值到达变频器过载特性曲线值时,触发过载 故障(EOL).由图5可知,当过载倍数达150, 220时,允许的过载时间仍长达30S,这对于电动 螺旋压力机2S至4S一个打击流程的间歇工作制来 说已足够. 0110120130140150170190210 负载,% 图5KEBCOMBIVERTF5S系列变频器过载特性曲线 Fig.5OverloadcharacteristicofKEBC0MBIVERT 实验样机为J58K一500型电动螺旋压力机,其 主要设计参数为:公称压力3150kN,长期运行许 用载荷5000kN,标称能量20kJ,最大打击行程 320mm.启动/停止,正转/反转等数字控制指令和 速度,转矩给定模拟量控制指令均来自于压力机 PLC控制系统,分别由PLC根据压力机运行状态 发出相应的指令进行控制__9]. 实验中,利用KEB变频器附带的COMBIVIS 软件中的软件示波器采样永磁交流同步电机位置传 感器测得的转速值,并生成相应的电机速度曲线, 就可以很直观的分析电动螺旋压力机驱动系统的加 速性能并判断传动单元的控制效果.设定为最大打 击行程320mm,在驱动器中设定最大转矩指令 550Nm,对应电机加速电流约为107A,测得整个 打击流程的电机速度一时间曲线如图6所示.其中, 设置X轴横坐标的分辨率为500ms,设置y轴纵坐 标的分辨率为200r?min_.. 图6滑块打击流程的电机速度一时间曲线 Fig.6Speed-timecurveofmotorduringstrikingprocess 图6中,OA段为滑块打击下行阶段,AB段为 滑块打击锻件,飞轮等运动部分释放能量阶段(实 验中工作台上垫橡皮代替锻件吸收能量),BC段为 滑块回程加速阶段,CD段为滑块回程减速阶段, 至设定打击行程位置,滑块速度减至接近零速,刹 车动作,将滑块固定.由图可知,滑块速度一时间曲 线在OA段斜率比较稳定,说明加速度比较稳定, 由于负载是恒定不变的,所以反映了电机输出转矩 从零速开始就一直很稳定.在320mm的行程中, 电机由零速加速至953r?min,,根据飞轮惯量和 大,小齿轮减速比可计算出对应的实际打击能量约 为2OkJ,达到了设计要求的标称能量.另外,通过 软件示波器可以得出加速320mm打击行程所需时 间约为1.17S,整个打击流程所需时间约为2.38S. 电机温升是影响电机寿命的主要因素,是电动 螺旋压力机能否长期稳定运行的关键.对于永磁交 流同步电机而言,温度的过分升高,将可能造成永 久磁铁的永久性退磁.实验中,以16次?min的 频率连续打击两个小时,测量并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 电机温升数据, 绘出温升曲线如图7所示. 由图7可知,连续打击120min,永磁交流同步 电机表面温度由34.4?升高至93.0?,电机温升 为58.6?,而电机绝缘等级为F级,允许电机表面 温度高达155?;另外,连续打击120min后,电 机温升已趋于稳定,说明电机达到了热稳定状态, 能满足设备长期稳定运行的要求. 啪???? 116锻压技术第34卷 90 8O?0一一— l __7O:},一— nn } 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ;’{6O—/p,ru50/j赠 / /: 参40,;{ 30{ 20 i c l0 O05l01520253038404680556065707580889095l00105110II15l120 电机温度她4瓤64752.8f57.689.463667173.8175.674f讯481.6龃 8184.28&4i8曼689.6./~0.8f91.291.8fg26I铊6f船 工作时间/mi? 图7永磁交流同步电机温升曲线 Fig.7Temperaturerisingofpermanentmagnetsynchronousmotor 综上所述,采用基于矢量控制技术的永磁交流 同步电机驱动的电动螺旋压力机拖动方案,转矩响 应快且转矩输出平稳,启动电流和电机温升都得到 了有效控制. 4结论 基于矢量控制技术的永磁交流同步电机驱动的 电动螺旋压力机拖动系统,转矩响应快,输出转矩 稳定,避免了电机频繁正反转产生的峰值电流引起 对电网的干扰,有效抑制了电机温升,保证了系统 的可靠性,实现了电动螺旋压力机的稳定运行.实 验结果表明,电机起动电流可控,电机长期运行温 升稳定无过热现象,打击能量能够按1精度调整, 设备性能在柔性和智能化方面有了很大提升. 参考文献: [1]熊晓红,李军超,冯仪,等.CNC电动螺旋压力机EJ].锻 压技术,2007,32(5):110—114. 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