變頻器在起重機(jī)械中的應(yīng)用

     1、交流調(diào)速系統(tǒng)概述

     　　1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點(diǎn)

    　　對(duì)于可調(diào)速的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類(lèi)。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)換而劃分的，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動(dòng)機(jī)作為電能—機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對(duì)其進(jìn)行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。

    　　縱觀電力拖動(dòng)的發(fā)展過(guò)程，交、直流兩大調(diào)速系統(tǒng)一直并存于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，雖然由于各個(gè)時(shí)期科學(xué)技術(shù)的發(fā)展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著電力電子元器件的發(fā)展而在相互競(jìng)爭(zhēng)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)期，由于直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良調(diào)速性能，在可逆、可調(diào)速與高精度、寬調(diào)速范圍的電力拖動(dòng)技術(shù)領(lǐng)域中，幾乎都是采用直流調(diào)速系統(tǒng)。然而由于直流電動(dòng)機(jī)其有機(jī)械式換向器這一致命的弱點(diǎn)，致使直流電動(dòng)機(jī)制造成本高、價(jià)格昂貴、維護(hù)麻煩、使用環(huán)境受到限制，其自身結(jié)構(gòu)也約束了單臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，功率上限，從而給直流傳動(dòng)的應(yīng)用帶來(lái)了一系列的限制。相對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，交流電動(dòng)機(jī)特別是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)。因此，近幾十年以來(lái)，不少?lài)?guó)家都在致力于交流調(diào)速系統(tǒng)的研究，用沒(méi)有換向器的交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)調(diào)速來(lái)取代直流電動(dòng)機(jī)，突破它的限制。

    　　隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動(dòng)機(jī)的串級(jí)調(diào)速、各種類(lèi)型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應(yīng)用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。現(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動(dòng)系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動(dòng)到高精度、快響應(yīng)、大范圍的調(diào)速傳動(dòng)，從單機(jī)傳動(dòng)到多機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動(dòng)。交流調(diào)速傳動(dòng)的客觀發(fā)展趨勢(shì)已表明，它完全可以和直流傳動(dòng)相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢(shì)。

     　　1.2 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較

     　　由電機(jī)學(xué)知，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式如下：

     　　n= 60ƒ1 (1-s) (1-1)

     　　 pn

     　　式中 Pn——電動(dòng)機(jī)定子繞阻的磁極對(duì)數(shù)；

     　　 f1——電動(dòng)機(jī)定子電壓供電頻率；

     　　 s ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率。

     　　從式（1-1）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有三大類(lèi)方案。

     　　（1）改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)

     　　由異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速

     　　no= 60ƒ1

     　　 pn

    　　可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過(guò)改接定子繞組的連接方式來(lái)改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的磁極對(duì)數(shù)Pn，即可改變異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，從而達(dá)到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡(jiǎn)單，只要求電動(dòng)機(jī)定子繞組有多個(gè)抽頭，然后通過(guò)觸點(diǎn)的通斷來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)。采用這種控制方式，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化是有級(jí)的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動(dòng)化程度不高，且只須有級(jí)調(diào)速的場(chǎng)合。

     　　（2）變頻調(diào)速

    從式（1—1）中可以看出，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s—定時(shí)，改變定子繞組的供電頻率f1可以達(dá)到調(diào)速目的，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無(wú)級(jí)地調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動(dòng)機(jī)的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動(dòng)更能顯著改善交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，大幅度降低電機(jī)的起動(dòng)電流，增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動(dòng)機(jī)的理想調(diào)速方案。

     　　（3）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速

   　　改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動(dòng)機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級(jí)調(diào)速等。

    　　定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動(dòng)機(jī)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時(shí)與重復(fù)短時(shí)作深調(diào)速運(yùn)行的負(fù)載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的控制方式。所使用的電動(dòng)機(jī)可以是繞線式異電動(dòng)機(jī)或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。

    　　電磁轉(zhuǎn)差離臺(tái)器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)以恒速帶動(dòng)電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)電磁離合器勵(lì)磁電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。

    　　繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來(lái)進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡(jiǎn)單，但調(diào)速是有級(jí)的，串入較大附加電阻后，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性很軟，低速運(yùn)行損耗大，穩(wěn)定性差。

    　　繞線式異步電動(dòng)機(jī)串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)就是在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)同頻率的反向電勢(shì)Ef，只要改變這個(gè)附加的，同電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢(shì)Ef，就可以對(duì)繞線式異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行平滑調(diào)速。Ef越大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越低。

    　　上述這些調(diào)速的共同特點(diǎn)是調(diào)速過(guò)程中沒(méi)有改變電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低速時(shí)，轉(zhuǎn)差率s較大。

    在交流異步電動(dòng)機(jī)中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以分成兩部分：一部分P2=（1—s）PM是拖動(dòng)負(fù)載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率PS=sPM，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標(biāo)志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：

     　　1）轉(zhuǎn)差功率消耗型

    這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率PS=sPM增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類(lèi)，這類(lèi)調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率PS愈大，系統(tǒng)效率愈低的問(wèn)題，故不值得提倡。

     　　2）轉(zhuǎn)差功率回饋型

    這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過(guò)變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串級(jí)調(diào)速即屬于這一類(lèi)，它將轉(zhuǎn)差功率通過(guò)整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒(méi)有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時(shí)，串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。

     　　3）轉(zhuǎn)差功率不變型

    這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對(duì)數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類(lèi)，由于在調(diào)速過(guò)程中改變同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s是一定的，故系統(tǒng)效率不會(huì)因調(diào)速而降低。在改變n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對(duì)數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。

     　　1.3 變流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

    近十幾年來(lái)，隨著現(xiàn)代控制理論、新型大功率電力電子器件、新型變頻技術(shù)以及微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)等在實(shí)際應(yīng)用中相繼取得了重大進(jìn)展，使得交流調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展。今后的交流調(diào)速技術(shù)將在以下幾個(gè)方面得到進(jìn)一步的發(fā)展。

     　　（1）交流調(diào)速系統(tǒng)的高性能化

    交流電動(dòng)機(jī)是個(gè)多變量、強(qiáng)耦合、非線性被控對(duì)象，僅用電壓/頻率（V/f）恒定控制，不能滿足對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的要求。今后的產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術(shù)，提高調(diào)速性能，達(dá)到和超過(guò)直流調(diào)速水平。

    矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它的想法是設(shè)法摸擬直流電動(dòng)機(jī)的控制特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行交流電動(dòng)機(jī)的控制。調(diào)速的關(guān)鍵問(wèn)題是轉(zhuǎn)矩控制問(wèn)題，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能好的根本原因就在于它的轉(zhuǎn)矩控制容易，而交流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩則難于控制。為使交流電動(dòng)機(jī)得到和直流電動(dòng)機(jī)一樣的控制性能，必須通過(guò)電機(jī)統(tǒng)一理論和坐標(biāo)變換理論，把交流電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成磁場(chǎng)定向坐標(biāo)的磁場(chǎng)電流分量和與之相垂直的坐標(biāo)轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標(biāo)系變換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱?dòng)機(jī)。即如果在調(diào)速過(guò)程中始終維持定子電流的磁場(chǎng)電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當(dāng)于直流電機(jī)中維持勵(lì)磁不變，而通過(guò)控制電樞電流來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。

    矢量控制方法的提出使交流傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性得到了顯著的改善，這無(wú)疑是交流傳動(dòng)控制理論上一個(gè)質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法比較復(fù)雜，它要進(jìn)行坐標(biāo)變換，且需精確測(cè)算出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，比較麻煩，且其精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響很大。近年來(lái)又出現(xiàn)了一種對(duì)交流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法，它避開(kāi)了矢量控制中的兩次坐標(biāo)變換及求矢量的模與相角的復(fù)雜計(jì)算工作量，而直接在定子坐標(biāo)系上計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與磁通，通過(guò)轉(zhuǎn)矩的砰砰控制，使轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間控制在一拍以?xún)?nèi)，且無(wú)超調(diào)，控制性能比矢量控制還好。此法雖尚未形成商品化的產(chǎn)品，但卻是很有發(fā)展前景的一種新的控制原理。交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制理論，從V/f恒定控制法到矢量控制法是一個(gè)飛躍，從矢量控制法到直接轉(zhuǎn)矩控制法將是第二個(gè)飛躍。

     　　（2）全控型大功率新型電力器件

    交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開(kāi)的，50年代世界上出現(xiàn)了電力半導(dǎo)體器件的晶閘管，為交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展開(kāi)辟了道路。但是作為第一代電力半導(dǎo)體器件的晶閘管沒(méi)有自關(guān)斷能力，需要利用電源或負(fù)載的外界條件來(lái)實(shí)現(xiàn)換相，因此用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)的交—直—交變頻裝置的核心的逆變器，必須配以大功率的強(qiáng)迫換相線路才能實(shí)現(xiàn)可靠的逆變。所以，人們一直在致力于研制出一種大功率，正反間均可用較小的功率進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)斷控制的全控型器件，以便用較簡(jiǎn)單的手段即可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的逆變工作。經(jīng)過(guò)10年左右的研制，場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），巨型晶體管（GTR）及門(mén)極關(guān)斷（GTO）晶閘管等全控型器件問(wèn)世，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了理想效果。從半控型器件向全控型器件的過(guò)渡標(biāo)志著變頻裝置進(jìn)入了可以與直流調(diào)速裝置在性能/價(jià)格比上相比美，這是交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生飛躍的又一個(gè)重要的突破。

    目前，全控型電力電子器件正沿著大電流、高電壓、快通斷、低損耗、易觸發(fā)、好保護(hù)、小體積、集成化等方向繼續(xù)發(fā)展，又出現(xiàn)了絕緣門(mén)極雙極晶體管（IGBT）和絕緣柵門(mén)極關(guān)斷（IGTO）晶體管等，即具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)損耗小、通斷速度快、工作頻率高、器件容量大及熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)器件是90年代變頻裝置的主流。電力電子器件發(fā)展的更進(jìn)一步的目標(biāo)將是把控制、觸發(fā)、保護(hù)等功能再集成化進(jìn)來(lái)，從而形成電力電子與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)成最新一代的功率集成器件（PIC）。它將為最新一代高可靠、小型化、電機(jī)與電控裝置可能合而為一的未來(lái)型交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)提供新的發(fā)展基礎(chǔ)。

     　　（3）脈寬調(diào)制技術(shù)

    在交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速過(guò)程中，通常要求調(diào)頻和調(diào)壓同時(shí)進(jìn)行，早期調(diào)壓多用相控技術(shù)，用相控方式生成的變頻電壓電源含有大量的諧波分量，功率因數(shù)低，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，線路復(fù)雜，無(wú)法滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。近年在廣泛采用自關(guān)斷元器件的情況下，逆變器普遍采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，成功地解決了電源側(cè)功率因數(shù)低的問(wèn)題，同時(shí)也減少了諧波分量對(duì)電網(wǎng)的影響。為了限制開(kāi)關(guān)損耗，脈寬調(diào)制的頻率通常選在300~1000Hz左右，但這個(gè)頻率正好在人耳的敏感區(qū)，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)的噪聲是一個(gè)新問(wèn)題。為解決這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在有幾種不同的發(fā)展趨勢(shì)。一種是采用新型的諧振式逆變器，可以把開(kāi)關(guān)頻率提高到20KHz以上的超聲區(qū)，從而清除噪聲；另一種是在現(xiàn)有的元器件基礎(chǔ)上，優(yōu)選調(diào)制策略，降低脈寬調(diào)制的頻率至人耳不敏感區(qū)，從而降低噪聲。總之，研究開(kāi)關(guān)損耗小，功率因數(shù)高，諧波分量小，噪聲低，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的逆變器是今后發(fā)展的方向。脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用使變頻裝置性能優(yōu)化，可以適用于各類(lèi)交流電動(dòng)機(jī)，為交流調(diào)速的普及創(chuàng)造了條件。

     　　（4）數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，16位乃至32位微處理機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普及，且由于微處理機(jī)的運(yùn)算速度提高、價(jià)格下降等新因素的出現(xiàn)，在電氣傳動(dòng)中控制系統(tǒng)硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全部采用數(shù)字控制，充分發(fā)揮微機(jī)控制的綜合優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字調(diào)速技術(shù)不僅使傳動(dòng)系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性、還為新的控制理論與方法提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。微型計(jì)算機(jī)在性能、速度、價(jià)格、體積等方面的不斷發(fā)展與交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速理論的現(xiàn)實(shí)化提供了最重要的保證。

    從發(fā)展趨勢(shì)看，交流數(shù)字調(diào)速有以下兩個(gè)發(fā)展方向：一是采用專(zhuān)用的硬件、大規(guī)模集成電路（IC）；專(zhuān)用硬件可以降低設(shè)備的投資，提高裝置的可靠性。研制交流調(diào)速系統(tǒng)專(zhuān)用的IC芯片，可使控制系統(tǒng)硬件小型化、簡(jiǎn)單化。二是采用通用計(jì)算機(jī)硬件、軟件模塊化，可編程化，通用硬件可編程序控制，應(yīng)用范圍廣，但價(jià)高造。從國(guó)際上采用數(shù)字調(diào)速的情況來(lái)看，前者一般多用于中小容量的標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，后者多用于大型工程大容量的傳動(dòng)系統(tǒng)。