變頻器在大功率摩擦焊機(jī)相位控制中的應(yīng)用

趙士杰， 辛舟，2， 杜勇

（1.蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;

2.蘭州理工大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

利用大功率摩擦焊機(jī)對(duì)四方鋁導(dǎo)桿和鋼爪進(jìn)行焊接，由于四方鋁導(dǎo)桿在焊接時(shí)有相位要求，采用變頻控制技術(shù)對(duì)摩擦焊接的四方鋁導(dǎo)桿的相位進(jìn)行控制，使其相位誤差小于±1°，滿足相位的精度要求。此種相位控制技術(shù)往往需要變頻電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)或平滑制動(dòng)來調(diào)速［1］，現(xiàn)在就以大功率變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)定位來對(duì)變頻器在相位控制中的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 變頻器在制動(dòng)時(shí)工作原理

變頻器一般都是采用交流－直流－交流變頻器，無論是電流型還是電壓型，其逆變器的工作原理基本一致的。變頻器對(duì)電機(jī)變頻調(diào)速的過程中，當(dāng)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)斷開電源的瞬間時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子仍以轉(zhuǎn)速ωk旋轉(zhuǎn)，由于磁場(chǎng)的存在，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在自勵(lì)異步發(fā)電狀態(tài)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)為ε，在定子出線端建立起三相對(duì)稱電壓。該電壓加在三相對(duì)稱電阻上，產(chǎn)生了電流有功分量，也就產(chǎn)生了電磁制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩為T，電機(jī)工作點(diǎn)如圖1可知，進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，開始制動(dòng)減速。

式中cr電機(jī)常數(shù);cT為轉(zhuǎn)矩系數(shù);φm為磁通量;ωk轉(zhuǎn)速;R定子電阻值。

在制動(dòng)減速過程中拖動(dòng)系統(tǒng)儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的電流經(jīng)逆變器的反饋二級(jí)管反饋至直流環(huán)節(jié)使電容充電，從而使直流母線電壓升高［2］，功率元件導(dǎo)通，使電機(jī)回饋的電能消耗在制動(dòng)電阻上［3］。運(yùn)行在再生制動(dòng)狀態(tài)下轉(zhuǎn)速是變化的，隨著轉(zhuǎn)速的降低，端電動(dòng)勢(shì)降低，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小直至為零。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)的不同狀態(tài)下的矢量圖

2 相位控制方法及時(shí)機(jī)選擇

采用再生制動(dòng)方法來對(duì)四方鋁導(dǎo)桿的焊接進(jìn)行相位控制，頂端旋轉(zhuǎn)工件轉(zhuǎn)速達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)，變頻調(diào)速控制減弱或消失，電動(dòng)機(jī)將進(jìn)入主軸制動(dòng)過程，以達(dá)到再生制動(dòng)定位，而不是強(qiáng)制定位［4］。如圖2、圖3所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置檢測(cè)到轉(zhuǎn)速降到設(shè)定值ωk時(shí)。

由相位檢測(cè)裝置檢測(cè)到相位對(duì)中位置時(shí)，變頻器發(fā)出制動(dòng)信號(hào)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)，發(fā)出功率p0:

此功率的大小被線性映射為脈沖信號(hào)p與頻率脈沖信號(hào)f0間的相位差φp，將脈沖電信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移［5］，實(shí)現(xiàn)了功率的相位調(diào)制。則相位函數(shù)為:

式中ωk為轉(zhuǎn)速;R1轉(zhuǎn)相繞折算到定子側(cè)的折算值;cosφ為功率因數(shù);S為轉(zhuǎn)差率;CT為矩系數(shù);PN額定功率;L2是轉(zhuǎn)子相繞組電感值折算到定子側(cè)的折算值;R2定子相繞折算到轉(zhuǎn)子側(cè)的折算值。

對(duì)以上相位函數(shù)中的最重要敏感參數(shù)轉(zhuǎn)速ωk進(jìn)行的計(jì)算如下表1及圖4。

表1 轉(zhuǎn)速ωk和相位角φp對(duì)應(yīng)關(guān)系

通過對(duì)函數(shù)中影響相位誤差跟蹤控制的敏感參數(shù)分析計(jì)算可知［6］，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近 ωk=120時(shí)，此時(shí)相位誤差接近+0.36°，符合大功率摩焊接相位控制要求。

圖4 轉(zhuǎn)速和相位角關(guān)系

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

變頻電機(jī)在剎車制動(dòng)的過程中產(chǎn)生回饋制動(dòng)電能［7］，這部分制動(dòng)能量通過外加制動(dòng)電阻把回饋能量迅速消耗掉，從而使電機(jī)主軸快速精確制動(dòng)。通過已有的大功率摩擦焊機(jī)裝置實(shí)驗(yàn)及表1中的理論數(shù)據(jù)分析可知，轉(zhuǎn)速的大小對(duì)相位精度誤差的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近ωk=120時(shí)變頻調(diào)速對(duì)大功率摩擦焊接相位控制的誤差小于+0.5°，達(dá)到了大功率摩擦焊機(jī)相位控制精度誤差的要求。

［1］溫江，張忠海.變頻器在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.一重技術(shù)，2006，45（6）:20 －21.

［2］徐國(guó)忠，諸靜.變頻器供電的異步電動(dòng)機(jī)制動(dòng)過程分析及控制［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，34（2）:222 －226.

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