防爆变频调速系统多机试验分析

王春雨，康烁，王成伟，王东

(抚顺煤矿电机制造有限责任公司，辽宁抚顺113122)

0 引言

防爆变频调速系统多机试验针对煤矿井下刮板输送机要求多机联动的场合，要求多机同速度、同步运行，实现多机联动功率分配和同步运行控制。在我公司的测功机试验台3 300V 平台下进行了防爆变频调速系统的多机联合调试试验，对采用VF 算法的多机控制策略进行了试验验证。对试验原理进行了介绍，对试验数据及波形进行了分析，给出了相关试验结论。

1 试验要求

对两台防爆变频调速系统(编号C01001、C01002)进行试验。

1.1 试验环境条件

测量和试验在以下条件下进行

温度:-20℃～ +40℃;相对湿度:不大于90%;气压:86 ～106kPa。

1.2 试验设备

试验所用的设备见表1。

表1 试验设备要求

1.3 试验线路

试验现场的连接图见图1，试验线路见图2。两台防爆变频调速样机分别接在测功机试验台两侧的出轴处，实现了同轴连接。通过试验台可以将两台产品联合加载。试验台可以测试加载的扭矩、转速等参数。

图1 多机试验现场连接图

图2 多机试验平台示意图

2 多机控制试验

2.1 基于VF 算法的多机控制试验简介

异步电动机的电磁转矩正比于转差频率ωs;通过定子电流频率ω1，就可以实现对转差角频率的调节，即实现了对异步电动机电磁转矩的调节。多机控制试验通过采集多台电机在同一时刻的电流值为控制参数来实现负载平衡控制。

2.2 多机试验要求

两台样机基于VF 算法，在不同负载下进行双机的同步、同速试验。试验中要求两台样机电流偏差在5%以内。

2.3 基于VF 算法的多机试验步骤

(1)进行380V、1 140V、3 300V 不同电压等级下的空载试验，验证多机控制功能，包括多机的CAN 通讯功能、485 通讯功能、多机的主从协同控制功能、多机的故障保护联动功能等。

(2)在3 300V 电压等级下，两台样机设定相同的VF 曲线，进行多机的起动、加载试验。

(3)在3 300V 电压等级下，两台样机设置不同的VF 曲线，不加负载平衡算法，进行多机的起动、加载试验。

(4)在3 300V 电压等级下，两台样机设置不同的VF 曲线，加负载平衡算法，进行多机的起动、加载试验。

(5)在3 300V 电压等级下，进行CAN 通讯电缆、485 通讯试验。

3 试验结果分析

3.1 多机控制功能试验验证结果

进行380V、1 140V、3 300V 不同电压等级下的空载试验，验证了多机控制功能。包括多机的CAN 通讯功能、485 通讯功能、多机的主从协同控制功能、多机的故障保护联动功能等。

多机的故障保护功能测试方法为通过上位机设置不同的故障保护值，引发其中一台的故障保护，在上位机观测是否能够触发另外一台同时故障保护。

3.2 相同VF 曲线的试验结果分析

电机启动的电流波形见图3，电机加载过程的电流波形见图4。

图3 两台电机启动的电流曲线

图4 两台电机加载的电流曲线

不同负载下电机电流的有效值及电流偏差如表2 所示。

表2 相同VF 曲线加载过程电流记录及分析

电流偏差的计算方法为求出多台电机电流的平均值，再分别求出各台电机电流与电流平均值的差值，用差值除以平均电流得到各台电机的电流偏差。

从电机起动电流曲线、电机加载电流曲线及加载过程电流的数值记录中可以看出，两台电机电流偏差很小，在2%以内。在该范围内，认为主机与从机的负载均衡，在线观测主机、从机的补偿频率均为0，负载平衡算法未运行。

分析该现象的原因:(1)是由于两台产品带载特性一致性好;(2)是由于两台产品同轴刚性连接与刮板链条连接的机械特性不同。

3.3 不同VF 曲线的试验结果分析

为了验证负载均衡算法，将两台产品设置为不同的VF 曲线，改变两台产品带载特性的一致性，在该工况下加载，比较未启用负载平衡算法与启动负载平衡算法的控制结果。比较未启用负载平衡算法与启用负载平衡算法两种情况下电机启动的电流曲线，见图5。

图5 电机启动电流比较图

由图5 中可以看出，启用负载平衡算法后，主机与从机的起动电流差减小，实现了负载平衡调节的作用。下面分析不同负载下电机电流有效值及偏差在启用负载平衡算法前后的差别，定量的分析负载平衡控制的效果。

未启用负载平衡算法、不同负载下电机电流的有效值及电流偏差见表3。启用负载平衡算法、不同负载下电机电流的有效值及电流偏差见表4。

表3 不同VF 曲线未启用负载平衡算法加载过程电流

表4 不同VF 曲线启用负载平衡算法加载过程电流

比较两次加载试验的试验数据，可以看出，启用负载平衡算法后，电流偏差从9%左右将为5%以内，实现了负载平衡算法的调节目标。

3.4 通讯电缆长度的摸底试验

在3 300V 平台、多机工作、加载至175kW 的工况下，进行了CAN 通讯电缆、485 通讯电缆长度的摸底试验。CAN 通讯电缆为多台产品间的通讯电缆，试验结果显示，在产品间电缆长度为300m 时可实现可靠通讯，在400m 时通讯可靠性降低，出现了通讯延时的情况。

485 通讯电缆为产品与上位机之间的电缆，试验结果显示，在产品距离上位机电缆为400m是可实现可靠通讯。

4 试验结论

防爆变频调速系统(编号C01001、C01002)在我公司试验站的测功机试验台进行了多机调试试验。通过试验结果分析，可得到以下结论。

(1)对防爆变频调速系统的多机控制功能进行了试验验证，包括多机的CAN 通讯功能、485通讯功能、多机的主从协同控制功能、多级的故障保护联动功能等。

(2)两台产品设置相同的VF 曲线，在加载过程中两台电机的电流偏差很小，在2%以内，负载平衡算法未起作用，分析原因，一为两台产品带载特性一致，二为两台同轴连接与刮板链条连接的机械特性不同。

(3)两台样机设置不同的VF 曲线，启用负载平衡算法后，两台电机电流的不平衡度由9%降为5%以内，实现了负载平衡算法的调节目标。验证了多机负载平衡策略的有效性。

(4)在多机工作工况下，对通讯游隙，以及工作时形成的工作游隙均小于此值，这就意味着会出现轴承加速损坏现象。

5 设计要点

通过上述分析在电机设计时注意以下要点来提高轴承使用寿命。

(1)依据电动机使用场所的工况设计轴承的配置和轴承与转轴、轴承与端盖轴承室的安装尺寸;

(2)依据电动机使用场所的环境温度和电动机的工作转速来正确选择轴承的游隙;

(3)提高电机端盖轴承室等主要零部件的加工精度。为消除这些零部件的内部应力铸件应进行时效处理。

(4)设计时应考虑“轴承结构”零件的累积公差对轴承轴向间隙的影响。同时电机轴承距不宜过大。

(5)端盖轴承室的散热状况要好。轴承室应尽量远离定转绕组并要有较好的散热状况。

(6)正确的选用轴承润滑脂。

6 结语

实践中，通过设计时注意“轴承结构”零件的累积公差，以及加强电机端盖轴承等主要零部件的精度，大大提高了滚动轴承的使用寿命，这为以后的滚动轴承损坏维修，提供了一定的技术支持。

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