防爆變頻調速系統多機試驗分析

王春雨，康爍，王成偉，王東

(撫順煤礦電機制造有限責任公司，遼寧撫順113122)

0 引言

防爆變頻調速系統多機試驗針對煤礦井下刮板輸送機要求多機聯動的場合，要求多機同速度、同步運行，實現多機聯動功率分配和同步運行控制。在我公司的測功機試驗臺3 300V 平臺下進行了防爆變頻調速系統的多機聯合調試試驗，對采用VF 算法的多機控制策略進行了試驗驗證。對試驗原理進行了介紹，對試驗數據及波形進行了分析，給出了相關試驗結論。

1 試驗要求

對兩臺防爆變頻調速系統(編號C01001、C01002)進行試驗。

1.1 試驗環境條件

測量和試驗在以下條件下進行

溫度:-20℃～ +40℃;相對濕度:不大于90%;氣壓:86 ～106kPa。

1.2 試驗設備

試驗所用的設備見表1。

表1 試驗設備要求

1.3 試驗線路

試驗現場的連接圖見圖1，試驗線路見圖2。兩臺防爆變頻調速樣機分別接在測功機試驗臺兩側的出軸處，實現了同軸連接。通過試驗臺可以將兩臺產品聯合加載。試驗臺可以測試加載的扭矩、轉速等參數。

圖1 多機試驗現場連接圖

圖2 多機試驗平臺示意圖

2 多機控制試驗

2.1 基于VF 算法的多機控制試驗簡介

異步電動機的電磁轉矩正比于轉差頻率ωs;通過定子電流頻率ω1，就可以實現對轉差角頻率的調節，即實現了對異步電動機電磁轉矩的調節。多機控制試驗通過采集多臺電機在同一時刻的電流值為控制參數來實現負載平衡控制。

2.2 多機試驗要求

兩臺樣機基于VF 算法，在不同負載下進行雙機的同步、同速試驗。試驗中要求兩臺樣機電流偏差在5%以內。

2.3 基于VF 算法的多機試驗步驟

(1)進行380V、1 140V、3 300V 不同電壓等級下的空載試驗，驗證多機控制功能，包括多機的CAN 通訊功能、485 通訊功能、多機的主從協同控制功能、多機的故障保護聯動功能等。

(2)在3 300V 電壓等級下，兩臺樣機設定相同的VF 曲線，進行多機的起動、加載試驗。

(3)在3 300V 電壓等級下，兩臺樣機設置不同的VF 曲線，不加負載平衡算法，進行多機的起動、加載試驗。

(4)在3 300V 電壓等級下，兩臺樣機設置不同的VF 曲線，加負載平衡算法，進行多機的起動、加載試驗。

(5)在3 300V 電壓等級下，進行CAN 通訊電纜、485 通訊試驗。

3 試驗結果分析

3.1 多機控制功能試驗驗證結果

進行380V、1 140V、3 300V 不同電壓等級下的空載試驗，驗證了多機控制功能。包括多機的CAN 通訊功能、485 通訊功能、多機的主從協同控制功能、多機的故障保護聯動功能等。

多機的故障保護功能測試方法為通過上位機設置不同的故障保護值，引發其中一臺的故障保護，在上位機觀測是否能夠觸發另外一臺同時故障保護。

3.2 相同VF 曲線的試驗結果分析

電機啟動的電流波形見圖3，電機加載過程的電流波形見圖4。

圖3 兩臺電機啟動的電流曲線

圖4 兩臺電機加載的電流曲線

不同負載下電機電流的有效值及電流偏差如表2 所示。

表2 相同VF 曲線加載過程電流記錄及分析

電流偏差的計算方法為求出多臺電機電流的平均值，再分別求出各臺電機電流與電流平均值的差值，用差值除以平均電流得到各臺電機的電流偏差。

從電機起動電流曲線、電機加載電流曲線及加載過程電流的數值記錄中可以看出，兩臺電機電流偏差很小，在2%以內。在該范圍內，認為主機與從機的負載均衡，在線觀測主機、從機的補償頻率均為0，負載平衡算法未運行。

分析該現象的原因:(1)是由于兩臺產品帶載特性一致性好;(2)是由于兩臺產品同軸剛性連接與刮板鏈條連接的機械特性不同。

3.3 不同VF 曲線的試驗結果分析

為了驗證負載均衡算法，將兩臺產品設置為不同的VF 曲線，改變兩臺產品帶載特性的一致性，在該工況下加載，比較未啟用負載平衡算法與啟動負載平衡算法的控制結果。比較未啟用負載平衡算法與啟用負載平衡算法兩種情況下電機啟動的電流曲線，見圖5。

圖5 電機啟動電流比較圖

由圖5 中可以看出，啟用負載平衡算法后，主機與從機的起動電流差減小，實現了負載平衡調節的作用。下面分析不同負載下電機電流有效值及偏差在啟用負載平衡算法前后的差別，定量的分析負載平衡控制的效果。

未啟用負載平衡算法、不同負載下電機電流的有效值及電流偏差見表3。啟用負載平衡算法、不同負載下電機電流的有效值及電流偏差見表4。

表3 不同VF 曲線未啟用負載平衡算法加載過程電流

表4 不同VF 曲線啟用負載平衡算法加載過程電流

比較兩次加載試驗的試驗數據，可以看出，啟用負載平衡算法后，電流偏差從9%左右將為5%以內，實現了負載平衡算法的調節目標。

3.4 通訊電纜長度的摸底試驗

在3 300V 平臺、多機工作、加載至175kW 的工況下，進行了CAN 通訊電纜、485 通訊電纜長度的摸底試驗。CAN 通訊電纜為多臺產品間的通訊電纜，試驗結果顯示，在產品間電纜長度為300m 時可實現可靠通訊，在400m 時通訊可靠性降低，出現了通訊延時的情況。

485 通訊電纜為產品與上位機之間的電纜，試驗結果顯示，在產品距離上位機電纜為400m是可實現可靠通訊。

4 試驗結論

防爆變頻調速系統(編號C01001、C01002)在我公司試驗站的測功機試驗臺進行了多機調試試驗。通過試驗結果分析，可得到以下結論。

(1)對防爆變頻調速系統的多機控制功能進行了試驗驗證，包括多機的CAN 通訊功能、485通訊功能、多機的主從協同控制功能、多級的故障保護聯動功能等。

(2)兩臺產品設置相同的VF 曲線，在加載過程中兩臺電機的電流偏差很小，在2%以內，負載平衡算法未起作用，分析原因，一為兩臺產品帶載特性一致，二為兩臺同軸連接與刮板鏈條連接的機械特性不同。

(3)兩臺樣機設置不同的VF 曲線，啟用負載平衡算法后，兩臺電機電流的不平衡度由9%降為5%以內，實現了負載平衡算法的調節目標。驗證了多機負載平衡策略的有效性。

(4)在多機工作工況下，對通訊游隙，以及工作時形成的工作游隙均小于此值，這就意味著會出現軸承加速損壞現象。

5 設計要點

通過上述分析在電機設計時注意以下要點來提高軸承使用壽命。

(1)依據電動機使用場所的工況設計軸承的配置和軸承與轉軸、軸承與端蓋軸承室的安裝尺寸;

(2)依據電動機使用場所的環境溫度和電動機的工作轉速來正確選擇軸承的游隙;

(3)提高電機端蓋軸承室等主要零部件的加工精度。為消除這些零部件的內部應力鑄件應進行時效處理。

(4)設計時應考慮“軸承結構”零件的累積公差對軸承軸向間隙的影響。同時電機軸承距不宜過大。

(5)端蓋軸承室的散熱狀況要好。軸承室應盡量遠離定轉繞組并要有較好的散熱狀況。

(6)正確的選用軸承潤滑脂。

6 結語

實踐中，通過設計時注意“軸承結構”零件的累積公差，以及加強電機端蓋軸承等主要零部件的精度，大大提高了滾動軸承的使用壽命，這為以后的滾動軸承損壞維修，提供了一定的技術支持。

［1］ 楊萬青.實用異步電動機設計、安裝與維修.北京:機械工業出版社，1997.

［2］ 陳世坤.電機設計.北京:機械工業出版社，2000.

［3］ 王金松，馮艷琴.不同引導方式圓柱滾子軸承的應用分析，防爆電機，2014.6.

［4］ 吳泰，程雪玲，馬硯芳.電機滾動軸承噪聲的分析，防爆電機，2012.6.

［5］ 于淑華，王壽柏.低壓電機軸承異常噪聲和過熱的解決措施，防爆電機，2013.3.