关键词：磨浆机；永磁同步电机；变频器；矢量控制

1 引言

为了将高浓浆料进行直接打浆，并增强最终产品的抗张物理强度以及降低动力消耗，在造纸的打浆工业生产过程中，应用高浓磨浆机、永磁同步电机联合驱动技术。高浓磨浆机打浆浓度可达10%-30%，相比于低浓磨浆有50%的动力节省。该技术大多采用永磁同步电机驱动高浓磨浆机，电机频率为固定50Hz不可调^[1]。

永磁同步电机相比异步电机不需要传统的变速装置，所以永磁同步电机体积很小重量很轻。在电机功率方面，永磁同步电机功率大具有高功率密度。同时，永磁同步电机的转动惯量要比一般的异步电机小并且动态响应要高于异步电机，而且永磁同步电机可以直接驱动高速负载，这样避免了由变速装置带来的各种损耗和噪声。

永磁同步电机不需外界能量即可维持其转子磁场，但永磁同步电机运行时，定子磁场矢量与转子磁极位置之间的夹角δ（功率角）必须在0～90°范围内变动，否则将导致失步。这也造成永磁同步电机从外部调节、控制其磁场极为困难。因此永磁同步电机一般采用转子磁链定向的矢量控制技术变频启动，通过改变定子旋转磁场进行转速，利用定转子磁场同步启动永磁同步电机。图1为某造纸现场中永磁同步电机变频器系统驱动磨浆机。

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图1 永磁同步电机变频器系统驱动磨浆机                                                                                                                  

2 永磁同步电机变频器控制系统
2.1 永磁同步电机器系统结构            

               


                          图2 永磁同步电机变频器系统结构

永磁同步电机变频器系统结构如图2所示.将系统电网电压输入连接到永磁同步电机变频器的移相变压器上，移相变压器将电网输入电压转换为独立的三相690V电压，给每个功率单元供电。移相变压器的作用：第一是将电网的高压降低为低压，给每个功率单元供电；第二是移相变压器采用延边三角形结构，使单元的输入电压进行移相，这样就减小了对电网的谐波无污染，为真正的完美无谐波；第三是给每个功率单元提供独立的电源，可以使单元进行级联。永磁同步电机变频器有完善的控制系统，其主控系统采用高速DSP为控制核心，控制算法完全数字化，主控箱与功率单元采用高速光纤通讯，主控将PWM波信号通过下行通讯光纤传递给每个功率单元，每个功率单元通过相应单元的保护动作通过上行通讯光纤上传给主控系统。主控产生的PWM信号为载波移相后的PWM信号，这样就可以将单元级联后输出的电压谐波减小。

功率单元级联输出电压采用自动稳压技术，单元输入母线电压高时，输出调制波相应减小，单元输入母线电压低时，输出调制波相应增加，这种技术可以解决由于负载不平衡导致母线电压不一致，从而出现输出电压不平衡的问题。

2.2 永磁同步电机变频器矢量控制

同步电机采用改进的空间矢量磁场定向控制策略，控制系统采用速度环和电流环双闭环结构，电流环采用PI调节器，实现简单，并能获得较好的电流跟踪性能。速度环采用PI调节器，能有效地限制动态响应的超调量，加快响应速度。速度给定ω与速度反馈相减得出速度误差，速度误差经PI调节后输出转矩电流给定i^*_qs，i*_ds励磁电流给定是根据系统的动态需要进行调整其值根据不同的电机和负载得出的经验值，电机三相电流反馈i_u、i_v、i_w经传感器采样，然后再根据转子位置电气角度θ进行Clarke变换和Park变换输出i_ds、i_qs，i_ds、i_qs值与给定值i^*_qs、i*_ds求误差,进行PI调节后输出V_qs、V_ds，电压矢量利用转子位置电气角度θ经过Park逆变换和Clarke逆变换输出电机定子三相电压U_u、U_v、U_w值，三相电压U_u、U_v、U_w值作为PWM（脉宽调制）的比较值比较输出PWM波形到逆变器，然后驱动电机旋转^[2]。无感矢量控制原理如图3所示。

  图3 无感矢量控制原理图                                                                                                               

永磁同步电机变频器可在在静止状态下可辨识出定子电阻R_s、直轴电感L_d以及交轴电感L_q。可由动态辨识，或是由电机铭牌获取电机额定反电势。无感矢量控制的关键是通过电机定子侧的电压和电流估算出转子位置和速度。

一个模型参考自适应系统如图4所示，应包含着两种模型，分别为参考模型和可调模型，这两个模型有着相同物理意义的输出量，不同的是参考模型不含待估参数，而可调模型含有对应的待估参数。其基本思想为：参考模型与可调模型的输出和状态性能指标通过反馈比较器得到误差方程，构造合适的自适应律，使得可调模型的控制对象能够跟随参考模型的动态响应，从而实现自适应实时调节。通过模型参考自适应估计器估算出转子位置和速度。

                     图4 模型参考自适应框图

2.3 无扰切换

无扰切换功能也叫同步切换、软切换。是指高压变频器检测到输入电网电压的幅值、频率和相位后，高压变频器调整输出电压，使其输出与电网电压同频、同相、同幅值的电压后，实现负载、电网无扰切换。在切换过程中高压永磁同步电动机可以一直保持负载运行不会出现负载扰动，切换过程中无冲击电流，实现系统切换的“零扰动”。

永磁同步电机变频器无扰切换整机逻辑换如图5所示。首先，变频器会自动断开交流接触器KM0，并将频率上升至50Hz。然后，变频器根据输入电压检测板上传的频率和幅值，自动将运行频率和幅值调整到与电网频率和幅值一致。接着，变频器自动调整相位，直到运行相位与电网相位相差2度以内。此时变频器运行电流不变，并将“同步调整完成信号”反馈给PLC控制器。最后PLC控制器先闭合交流接触器KM4，再断开交流接触器KM3，最后断开交流接触器KM1，变频器停机。工频运行电动机。

                            图5 永磁同步电机变频器无扰切整机逻辑

该技术可满足多电机综合控制及大容量电机软启动的需要。

3 结束语

永磁同步电机变频器驱动磨浆机、永磁同步电机系统已经得到越来越多的应用，在造纸业等现场得到很好的应用验证，相信此技术在增强最终产品的抗张物理强度以及降低动力消耗等方面必然有更大的提升。