基于機電耦合動力學和數學模型的電主軸系統軟起動特性

羅會 高翔 張素芬 成曉麗（石家莊信息工程職業學院，河北 石家莊 050000）

基于機電耦合動力學和數學模型的電主軸系統軟起動特性

羅會 高翔 張素芬 成曉麗（石家莊信息工程職業學院，河北 石家莊 050000）

電主軸實現平穩快速的啟動，對機電施工來說很重要。現有電動機啟動的傳統的迭代方式，顯然已經不能夠傳達出電流和啟動數據的關系，且在降壓條件下不能滿足輸出頻率的需求，難以達到生產需要。本文結合機電耦合脈沖信號的轉矩進行分析，通過電動機電磁設計和保真分析，并結合一些實際情況來對其軟起動特性進行簡單介紹，給以后機電工程建設提供一定幫助。

逆變器；電主軸；機電耦合；軟起動

所謂電主軸，就是將機電床位的主要功能和電動機相結合，實現更多功能特性的主要結構。具有良好的傳動優勢，結構緊密；傳輸速度快，對周圍產生的影響較小；能夠在一定范圍中實現短暫的起停和精確控制；電主軸通過逆變器進行傳輸供電，具有更為便捷的啟動效率，傳輸效果比較平穩。但是如果機電主軸的參數配比不對，就會造成機電耦合振動，影響電主軸的傳輸，引起設備溫度的升高，還會反饋給電網，影響電源模型的配置參數，進而影響系統穩定。如果進行系統參數之間的平穩調節，就不會產生機電耦合參數的變化，因此改變機電啟動時間相當重要。

1 軟起動過渡過程機電耦合機理

為實現電主軸轉輪線速度的改變，提升電動機工作的穩定性，通常采用較大的磨砂齒輪，因為機床的電主軸使用的傳統慣量不如磨用電主軸，下面主要通過磨用電主軸進行簡單分析，對機電機床施工的降頻生產合理探究。在系統軟起動規律下，通過機電軟起動和降頻啟動都會對逆變器參數產生一定影響，電主軸參數和磨砂齒輪和系統頻率能夠產生一定的過渡作用，對于正弦式電壓供電能夠進行降壓軟起動，在過渡過程中會有一定程度的下降，尤其在砂輪的變化過程中會明顯有轉動電流的變化。這種明顯變化，在逆變器輸出中呈現顯著特征，電流會呈現脈沖式諧波變化，容易產生脈沖轉矩。如果多次正弦式電流產生相互作用的效果，那么轉動電主軸就會產生明顯的變化，磨砂齒輪引起振動，引發更高層次的諧波機電耦合振動。

2 這里的數學建模，主要是研究電力負荷母線上的總體負荷吸收的功率隨著負荷母線的電壓和頻率的變動而變化的關系，這種用于描述負荷特性的數學方程即為電力負荷模型

電力負荷模型對電力系統穩定性的計算結果影響較大。在臨界情況下，還有可能改變定性結論，或者掩蓋一些重要現象。不恰當的負荷模型會使得計算結果與實際情況不一致。負荷模型是否正確，將會直接影響電力系統的運行。所以，采用不同的負荷模型，計算結果可能因相差一條線路的投資，相差上百萬元。

3 啟動性能的規律

電主軸的降壓軟起動過程中，通常會產生大量的高層次諧波振動，引起啟動系統變化。為了減少這種系統軟起動的效果，以下結合軟起動的具體過程進行分析，探尋軟起動的效果。

3.1 逆變參數對系統軟起動性能的影響

逆變器的工作中，調節電主軸和降壓頻率，電主軸的主要參數和磨砂振子都不會產生影響。在實驗中，首先維持一定的啟動時間，然后將電主軸狀態下設備的變化情況進行調節，分析系統運作的穩定性，在短期內進行逆變參數的調節。

3.1.1 起動頻率對系統軟起動性能的影響

在起動頻率對電主軸產生一定危害時，其他設備的逆變規律不會產生影響，其中逆變器主頻主要維持在9khz。通過實驗顯示，在不同起動狀態下機電耦合動力參數是不一樣的，仍然存在較高的降頻起動性能，且會隨著頻率的升高逐漸發生改變。電主軸在不同頻率下也得到不同的啟動分子，和砂輪模塊變化，這類啟動頻率的變化很難受到電主軸脈沖信號的影響，峰值電流不會產生較大影響，同時由于脈沖轉矩在不同頻段內重復出現，導致三角波載頻率受到一定影響，調節周期在逆變電流周期進行變化。

由此可見，逆變電流的高層次主頻機電耦合變化，不僅僅存在于機電主軸系統上，更多的是其他系統的主要頻率變化對于負載周期的影響，而這種影響也會對負載機械傳動系統產生作用，必須提前進行調節。

3.2 電動機電磁設計參數對系統軟起動性能的影響

電動機中不同頻段的脈沖信號，能夠直接影響到脈沖轉矩等參數的變化，破壞其設計穩定性的調節，所以應對系統軟起動平臺的變化加以抑制，使用對電動機電磁設計最為有利的參數。從實驗中我們發現，在啟動峰值電子參數的作用下，電主軸啟動的過渡會產生很大變化，以磨砂齒輪振動為前提的電流峰值變化，完全取決于高層次諧波脈沖信號的影響。而為了降低脈沖電流對啟動效果的影響，一般都會采用機械振動的方式對電流進行短暫的沖擊效果，使用定量的電子模式來滿足工程建設中的需求。

通過對高層次諧波機電耦合振動調節，電動機的效率明顯較低，系統飽和度很小，功率參數不容樂觀。并且對高層次電流波動存在一定抑制作用。機電系統平穩性的傳遞，能夠體現電動機的綜合特性，而負載參數的分配變化一般在系統降頻部分較為合理。

3.3 轉子槽形對系統軟起動性能的影響

對于電動機的轉子而言，一般槽形轉子更能夠發揮電動機參數的主要優勢，發揮系統性能的強力作用。因為其主要電動機的波動峰值變化較大，缺乏相應的電動磁飽和模塊，穩定性能如何，仍然有待探索。

4 結語

本文結合機電耦合動力學模型的實驗，對電主軸系統降壓降頻方式進行簡單分析，展現出機電耦合的機理。通過大量分析體現，逆變器在高頻變流條件下能夠引發系統機電參數的變化，而關于機電耦合動力學模型主軸結構的形狀，仍然需要進一步進行探索和研究。

[1]呂浪,熊萬里.基于機電耦合動力學模型的電主軸系統軟起動特性[J].機械工程學報,2014,03:78-91.

[2]呂浪,熊萬里,侯志泉.面向機電耦合振動抑制的電主軸系統匹配特性研究[J].機械工程學報,2012,09:144-154.

羅會，助教，石家莊信息工程職業學院，研究方向：機械制造及自動化

高翔：副教授，石家莊信息工程職業學院，研究方向：高等數學

張素芬：副教授，石家莊信息工程職業學院，研究方向：高等數學