李争光，杨 高



基于matlab的磁力耦合器调速系统建模与仿真

李争光，杨 高

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文提出了一种基于matlab磁力耦合器调速控制系统的数学模型，以实际系统参数为例进行了仿真分析。分析结果与实际运行数据进行对比，证明了磁力耦合器调速系统数学模型的有效性，分析结果也用于指导控制系统设计与运行。

磁力耦合器 调速系统 数学模型 工程应用

0 前言

风机与泵是应用极其普遍的通用机械产品，广泛用于电力、石化、冶金、建材、煤炭、水力及有色等行业，其耗用电能约占全国发电总量的三分之一。大多数风机或泵在使用过程中都存在大马拉小车的现象，或出于工艺实际要求或出于节能的目的，压力或流量需要经常调节。目前调节压力或是流量的方法很多，如：风门调节、变频调速、变极调速、差动调速、液力耦合器调速等，以上调速的方法中存在损耗大、占地面积大、或者成本高、环境适应性差、电网谐波污染大等技术问题尚待解决[1]。

磁力耦合器，又称永磁涡流调速器，是一种新型的调速设备，它通过电磁作用传递扭矩，具有构造简单、无极平滑调速、安装对中精度要求低、寿命长、维护简单、不产生谐波污染电网等特点，尤其适用于风机、泵类调速应用市场，具有良好的节能效果。

最早开始对其应用研究的是美国MagnaDrive公司[2]，有较多的学者对其特性进行了充分的研究，主要是集中在密封、磁力传动连接上。

在众多国外学者研究中G Donoso为研究驱动器电磁振荡之间的参数变化关系，建立了磁力耦合振荡试验模型[3]；Brauerd等人在应用磁驱动控制的液压缸中发现，利用磁力耦合器控制能够产生稳定的液压负载[4]；Chvala,W.D等人进一步探讨了磁力耦合器系统技术的性能和成本效益[5]，国内的研究起步较晚，主要是应用实例[6,7,9]。对于磁力耦合器调速系统的能效性及控制参数的协调性研究比较少，本文提出一种基于matlab的磁力耦合调速系统的建模方法数学模型，可用于磁力耦合调速系统的调速性能分析，工程参数整定和指导现场调试。

1 磁力耦合器调速控制系统原理

磁力耦合器调速系统是将磁力耦合器连接在驱动电机和负载（风机、水泵）之间，调整磁力耦合器的气隙来改变输出的扭矩和转速，达到调速目的。它由磁力耦合器、执行器、调速控制器组成，如图1 所示。根据调速系统建立仿真模型,进行系统仿真，指导系统设计。

磁力耦合器调速系统采集系统中的压力或是流量信号，与用户给定的压力或是流量进行比较，经过PI调节器，输出控制电动执行机构（气隙调节装置）来改变磁力耦合器的气隙，从而改变输出的转速及转矩，调节系统的压力或是流量，从而达到恒压力或是恒流量输出目的，满足了节能降耗的技术要求。

2 仿真模型的建立

2.1调速控制系统模型

调速系统模型主要包括磁力耦合器模块、电动执行器模块、风机模块、控制模块（PID控制器），其系统框图如图2所示。

根据图2每个环节的数学模型及相互连接关系，画出该调速系统的方框图数学模型，如图3所示。

2.2磁力耦合器模型块

通过电磁仿真或者试验方法可获得T，n,X数据，如图4所示（图中作为示意，仅画出三条曲线，实际曲线更加密集，一般为气隙1mm间隔一条曲线。在simulink中通过查询二维表建立磁力耦合器模型。

2.3电动执行器模型块

电动执行器是过程控制的重要执行器件，它的性能对控制系统有一定的影响。电动执行器输入是4～20 mA信号，输出是0～90°。结构如图5。伺服放大器由磁放大器、触发电路和可控硅主电路组成。

由其结构图及数学模型式（1）得到其仿真模型如图6所示。

2.4风机模型块

磁力耦合器拟在某企业的清水泵房中的备用泵上安装使用，该泵的额定流量95m3/h，建立风机/泵的仿真模型，如图7所示。

2.5控制器模型块

控制器模块实现了磁力耦合器调速系统的速度调节，采用传统的PID调节器，先进的控制算法，实现系统的稳定、可靠的控制。如图8所示。系统给定的压力或是流量与反馈的值进行差值运算，送至控制器模块的u，经过控制的PID运算，控制电动执行器模块。

3结果与分析

3.1动态运行

根据控制理论，在模型的输入端加入阶跃响应，系统输出y从0上升到目标值1的63%的时间称为系统的时间常数。通过仿真得到本系统的时间常数为=377 s，见图9。根据经典控制理论，PI参数的时间常数（和的比值）要比系统时间常数大一个数量级，得到以下不同的控制PID参数，其中让获得以下仿真结果。

从表1中数据和图10、图11可以看出磁力耦合器调速系统经过PID后系统稳定时间都在数十秒，这是因为电动执行器的机械执行时间较长，这可以满足实际的工程需要。从表中看出保证PI参数的时间常数是系统时间常数的20倍时，P较大时，I也较大时，系统的静差及超调量都较大。P较小，I较小时系统无超调，稳定时间长，静差较大。经过仿真筛选， 表1中第二组PI参数最佳，超调量和静差都控制在较好的范围内。

3.2稳态数据

从表中数据可以看出压力与转速的平方成正比，系数为Ki1=0.0062，转矩与转速的平方成正比，系数为Ki2= 0.001026。

4试验

4.1 试验系统及现场

磁力耦合器应用于某企业清水泵房进行调实际压力PV是0.4 Mpa，设定压力SV是0.6 Mpa。

4.2 试验数据及分析

通过表3可以看出，当系统压力高于设定值0.6 MPa时，磁力耦合器调节输出，降低泵的转速，从1427 rpm降到0 rpm，原因是由于管路压力大，负载转矩大，超过磁力耦合器在900 rpm时输出转矩，因此停止。

同时从表3中可以看出系统的输出压力与转速平方也近似成线性关系，符合表2的仿真对应关系。电机电流是随着系统实际压力的减小而降低的，从63 A降到23 A，因此电机输出转速在降低，根据电机的输出有功功率公式可知在系统压力降低过程中系统有功功率降低，系统没有安装磁力耦合器时，电机一直是额定功率运行，因此安装磁力耦合器后，电机有功功率降低符合节能原理。

图12所示，仿真电流与转速曲线与实际测量的曲线在误差范围内可以认为近似重，表明系统数学模型的有效性。

5 结论

通过建模与仿真和试验数据进行对比得到以下结论：1）系统仿真响应时间、静差等仿真结果与试验结果一致，表明磁力耦合器控制系统建模分析的有效性。2）测试结果显示，在设定压力小于实际压力时，控制器输出控制压力降低，电机的电流也在减小，与没有安装磁力耦合器时相比，磁力耦合器调速器能有效实现系统节能。3）磁力耦合器调速系统响应时间较长，为数十秒至百秒之间，适用于风机泵类响应。

[1] 张萌，赵海森，刘晓芳等. 径向磁通式永磁磁力耦合器能效特性试验. 电机与控制应用， 2014，41（3）：52-56.

[2] 张宏.新型节能调速设备永磁磁力偶合调速器的原理及应用[J].中国电力教育，2009，:551-553.

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[6] 杨振华. 冶金企业风机永磁调速改造.科技与企业，2013，16：308-309.

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MATLAB-based Modeling and Simulation of Magnetic Coupling Speed Control System

Li Zhengguang , Yang Gao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

This paper presents a mathematical model of the actual case based on Matlab, the system parameters are simulated and analyzed. Comparing the analysis results with the actual operation data, proves effectiveness of the mathematical model for the magnetic coupler speed control system, The results are also used to guide the design and operation of control systems.

magnetic coupling device; speed control system; mathematical model; engineering application

TP273

A

1003-4862（2016）03-0071-04

20154-12-15

湖北省科技支撑计划 2014BAA021

李争光（1980-）硕士，工程师。研究方向：电机与电器。