朱建鋒，張 靜

（1.廣東省機電建筑設(shè)計研究院，廣東廣州 510110；2.廣州海瑞克隧道機械有限公司，廣東廣州 511455）

0 引言

近年來，隨著各行業(yè)經(jīng)濟的快速增長，以及節(jié)能減排、綠色低碳政策的倡導(dǎo)，變頻技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。2011年，變頻驅(qū)動控制技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已從傳統(tǒng)制造加工行業(yè)拓展到大型提升/起重設(shè)備、大功率軋機、電梯行業(yè)、樓宇HVAC、無感伺服等行業(yè)，產(chǎn)品研發(fā)策略也朝著自動化、智能化、專業(yè)化和綠色化的方向發(fā)展，成為國防、交通、建筑工程、能源、環(huán)保和資源利用等國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。

建工設(shè)備包括有場地平整機械、混凝土機械、鋼筋拉伸機械、起重機械、塔吊和升降機械等，是實現(xiàn)施工機械化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，同時也決定著工期進度和項目質(zhì)量等。

1 矢量控制變頻器及其技術(shù)的介紹

矢量控制變頻器是一種基于矢量控制技術(shù)的智能驅(qū)動控制裝置，具有感知、分析、推理、決策和控制的功能模塊；通過技術(shù)手段提高裝配設(shè)備的安全等級，實現(xiàn)電子數(shù)字保護；在操作過程中實現(xiàn)緩啟、緩?fù)?，確保啟動平穩(wěn)，精確度可達到毫米級；采用無線呼叫系統(tǒng)和GPS 定位，確保信息互通和有效管理。技術(shù)方面引入無速度矢量控制策略以及智能控制技術(shù)，使其具有較快的動態(tài)響應(yīng)，先進的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計，能保證在負(fù)載頻繁波動的情況下，變頻器也不會跳閘。通過此方式對普通塔吊、浮吊進行變頻改造，可以為塔吊、浮吊和升降機帶來良好的性能及節(jié)能效果。目前，矢量控制變頻器已經(jīng)應(yīng)用到石油、化工、冶金、高檔電梯、數(shù)控機床等工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。其中主要涉及以下幾個關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 矢量坐標(biāo)變換技術(shù)

矢量坐標(biāo)變換技術(shù)[1]是將異步電動機的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電機參數(shù)，計算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，對交流電機解耦，使運行控制直流電機化。其過程框圖如圖1。

圖1 矢量坐標(biāo)變換技術(shù)框圖

1.2 轉(zhuǎn)子磁鏈位置的識別技術(shù)

正像交流異步電機的“異步”定義的那樣，它的轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速并不等于轉(zhuǎn)子磁通轉(zhuǎn)速，這就是說不能通過位置傳感器或速度傳感器直接檢測到交流異步電機的轉(zhuǎn)子磁鏈位置。轉(zhuǎn)子磁鏈位置在交流異步電機矢量控制中是一個非常重要的參數(shù)，沒有它就不能進行Park 變換和逆變換[1]，轉(zhuǎn)子磁鏈位置識別技術(shù)的優(yōu)劣關(guān)乎矢量控制的性能。對于有PG矢量控制的轉(zhuǎn)子磁鏈位置計算，主要是如下公式（1）和（2）來計算：

1.3 基于MRAS和IIR的無速度傳感器磁通和轉(zhuǎn)速的識別與控制技術(shù)

采用矢量控制技術(shù)可解決傳統(tǒng)交流調(diào)速難題，使交流電機按直流電機控制規(guī)律來進行控制。電機磁通和轉(zhuǎn)速的識別與控制技術(shù)通過CLARK變換、park變換及反park變換[1]得到α，β軸的輸出電壓；之后采用MRAS技術(shù)由α，β輸入電壓和電流，獲得α，β軸磁通；最后利用微分技術(shù)和IIR濾波技術(shù)，獲得識別轉(zhuǎn)速，包括轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。無速度傳感器的矢量控制技術(shù)可以省去速度傳感器，將使相應(yīng)的交流調(diào)速系統(tǒng)變得更簡單、廉價和可靠。其模型如下，控制框圖如圖2。

電壓模型：

電流模型：

圖2 數(shù)學(xué)模型

1.4 模糊識別的死區(qū)補償技術(shù)

通過對三相電流快速采樣，獲得三相電流大小與極性；根據(jù)電流大小和極性，由模糊識別，選用不同的電流幅值比較，確定補償或不補償，進而獲得不同的PWM 死區(qū)補償量；由SVPWM 正常發(fā)波的占空比，加上或減去死區(qū)補償量，獲得最終的PWM占空比，實現(xiàn)死區(qū)補償。

1.5 電機參數(shù)辨識技術(shù)

在異步電機無速度傳感器矢量控制系統(tǒng)中，控制的性能嚴(yán)重依賴于電機參數(shù)的準(zhǔn)確性，其對磁場定向的準(zhǔn)確性與解耦控制的性能影響很大。通過電機參數(shù)識別技術(shù)[2]，可準(zhǔn)確識別電機參數(shù)，提高矢量控制下的控制性能和控制精度。

2 產(chǎn)品技術(shù)的創(chuàng)新點

以ALPHA6000S產(chǎn)品介紹其技術(shù)上的創(chuàng)新點。

2.1 磁通制動

磁通制動的原理是通過增加電機磁通的方法加快電機減速，此時電機制動過程中的電能轉(zhuǎn)化為熱能，使能量消耗在電機內(nèi)部，改變了傳統(tǒng)的電機制動需匹配制動單元和制動電阻的現(xiàn)狀，實現(xiàn)了電機的快速制動，減小由于電機慣性對產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

2.2 防堵轉(zhuǎn)處理

通過電流矢量技術(shù)，可對電流實時動態(tài)進行偵測和控制，當(dāng)檢測到負(fù)載轉(zhuǎn)矩過大，電機堵轉(zhuǎn)時，矢量控制變頻器會自動適當(dāng)提高輸出轉(zhuǎn)矩，嘗試重新啟動。這樣就解決了電機突加負(fù)載時引起電機堵轉(zhuǎn)，而迫使生產(chǎn)停工或返工的問題。

2.3 瞬停處理

利用能量回饋技術(shù)，當(dāng)遇到突發(fā)停電狀況，矢量控制變頻器會及時響應(yīng)，通過電機旋轉(zhuǎn)能量控制電機減速，從而達到繼續(xù)維持運行的目的。此功能有效地控制了在電網(wǎng)掉電時電機不受控的狀況，同時，在瞬時跳閘期間及復(fù)電后，保證了電機的連續(xù)運行，真正實現(xiàn)了電網(wǎng)跳閘時變頻器的無跳閘運行。

2.4 預(yù)勵磁技術(shù)

起動問題自電機誕生之日起就是業(yè)界研究的重點之一。電機常規(guī)起動時輸出轉(zhuǎn)矩小而起動電流大，對電網(wǎng)、電機拖動的負(fù)載及自身絕緣均造成損害。而當(dāng)采用矢量控制變頻調(diào)速時，需要開關(guān)器件的裕量足夠大，卻由此帶來了成本問題。而預(yù)勵磁技術(shù)有效地解決了該問題，此技術(shù)基于間接矢量控制的思想，預(yù)先在電機起動之前建立磁場，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向在電機某相繞組的中心線上，而起動時轉(zhuǎn)換到常規(guī)矢量控制算法，從而實現(xiàn)了起動過程中勵磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的動態(tài)解耦，電流平滑過渡且輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，避免了以往任何起動方式中的電流尖峰現(xiàn)象發(fā)生。

2.5 轉(zhuǎn)子磁鏈位置估計技術(shù)

在轉(zhuǎn)子磁場定向的異步電機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計至關(guān)重要。如果轉(zhuǎn)子磁鏈的估計不準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)子磁場定向控制系統(tǒng)應(yīng)有的優(yōu)點，即實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制將無法實現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)子磁鏈估計模型的選擇非常重要。常用的磁鏈估計方法有很多種，如電流模型法é、電流模型法ê、電壓模型法等等，但各種磁鏈估計模型要求不同的輸入量，并各有其優(yōu)缺點。本產(chǎn)品[3]從轉(zhuǎn)子磁場定向的無速度傳感器異步電機矢量控制系統(tǒng)要求出發(fā)，實現(xiàn)一種改進的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈估計模型。

2.6 自動平層技術(shù)

傳統(tǒng)的升降機靠操作工來回調(diào)整來平層，這種平層方式效率低，誤差大，且有機械沖擊。矢量控制變頻器采用位置編碼器實時監(jiān)測轎廂的當(dāng)前位置，對剩余距離進行計算，以S 曲線停靠平層。制動時按照運動控制學(xué)原理采用獨待的算法，既能保證平滑的S 曲線，又能根據(jù)剩余距離實時調(diào)整，無需爬行段，真正實現(xiàn)零速平層。這種自動平層方式效率高，精度高，無機械沖擊，又能保證一定的舒適性。

2.7 無線呼叫技術(shù)

各樓層客戶端通過無線發(fā)射器發(fā)出樓層呼叫信號。矢量控制變頻器通過無線接口，接收到樓層信號以后，按照樓層呼叫的先后順序，用鍵盤輪流/依次顯示該樓層號碼。轎廂控制人員根據(jù)顯示的號碼，優(yōu)先選擇需要到達的樓層號碼；一旦到達該樓層，則該樓層對應(yīng)的號碼消失，直到下次再次呼叫，并排隊顯示。在轎箱控制人員不干涉的情況下，根據(jù)自身計算的樓層?？烤嚯x，準(zhǔn)確到達樓層。

3 矢量控制變頻器在建工機械的應(yīng)用效果

3.1 對升降機設(shè)備的應(yīng)用效果改善

通過感知、決策、執(zhí)行等智能化應(yīng)用，突破了原有的工作模式，大大提高了生產(chǎn)效率。表現(xiàn)如下。

（1）荷重保護智能化，產(chǎn)品帶有轎廂荷重保護，貨物裝載后會有重量感應(yīng)，確保承重量在安全范圍。如果超過承重范圍，系統(tǒng)會自動出現(xiàn)超載提示，徹底消除了安全隱患。

（2）平層數(shù)字化，傳統(tǒng)升降機的選平層是由司機靠目測手動控制實現(xiàn)的，效率低，經(jīng)常要上、下點動幾次才能準(zhǔn)確停層。既降低了效率又增大了拖動與控制系統(tǒng)的疲勞度，縮短了壽命。而采用變頻選平層使整個系統(tǒng)實現(xiàn)了簡單化，通過人機操作界面選擇?？科綄樱上到y(tǒng)自動測算距離，保證?？课恢玫臏?zhǔn)確性。

（3）無線呼叫功能?？蛻舳送ㄟ^無線發(fā)射器，發(fā)出樓層呼叫信號。變頻器通過無線接口，接收到樓層信號以后，按照樓層呼叫的先后順序，用鍵盤輪流/依次顯示該樓層號碼，無需人工傳達。

3.2 對塔吊設(shè)備應(yīng)用效果的改善

變頻器的平穩(wěn)起動及制動特性減少了機械沖擊，降低了結(jié)構(gòu)損耗；且起動電流較小，在頻繁起動與制動中減少電機熱損，延長電機壽命[4]；變頻器自身也是高可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，故障率極低，通過引入變頻器后整機的故障率降低，維護量減少，最終提高作業(yè)效率。尤其是變頻器的無極調(diào)速技術(shù)有效地解決了機構(gòu)的傳動沖擊，延長了齒輪、滾輪、軸承、齒條的使用壽命。由于變頻系統(tǒng)具有限流的功能，降低了電機啟動時對電網(wǎng)的沖擊電流，緩解了用電設(shè)備間的相互影響，電纜載流能力大大提高[5]。表現(xiàn)如下。

（1）速度反饋信號。由旋轉(zhuǎn)編碼器采集，經(jīng)PG卡直接送入變頻器參與閉環(huán)控制。

（2）起行程信號。在起升、抓斗及變幅等各個機構(gòu)上設(shè)有超行程限位開關(guān)，其信號全部送入PLC，在超行程信號時發(fā)出指令讓相應(yīng)的機構(gòu)停止動作，以防失控?fù)p壞設(shè)備。

（3）制動單元及制動電阻。起升及抓斗電機在負(fù)荷下降時，重物的勢能將轉(zhuǎn)化成為電能，再由變頻器附加的制動電阻將此電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌?，以達到平穩(wěn)制動的目的。旋轉(zhuǎn)及變幅電機也附加了制動電阻，作為減速過程中的制動手段。制動電阻是通過制動單元接入變頻器的，制動單元能夠根據(jù)需要自動投入和切除制動電阻。制動電阻安裝在控制柜外專門的電阻安裝支架上。

（4）防誤操作功能。瞬間加速防誤操作，當(dāng)操作人員瞬間將某個機構(gòu)從零速推進到最高速時，變頻器將不立即響應(yīng)此操作，而是按正常設(shè)定以允許的最大加速度升速?？焖俜聪蚍勒`操作，當(dāng)操作人員將某個機構(gòu)從一個方向的高速運行快速切換到反方向運行時，變頻器將不立即響應(yīng)此操作，而是按正常程序減速停機，待獲得零速反饋后再進行反向啟動。行程防誤操作，當(dāng)操作人員不慎使起升及抓斗或者變幅機構(gòu)超越正常行程，PLC 將立即發(fā)出該機構(gòu)的緊急停止指令，同時封鎖該方向的操作，反方向操作將在操作器復(fù)零時激活，以便機構(gòu)退出超行程位置。

3.3 產(chǎn)品的節(jié)能降耗效果

（1）節(jié)能效果顯著。由于矢量控制變頻器工藝方法的改進，也減少電機的投入量，功率可降低三分之一左右。與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比，能耗卻下降了50%，因為在下降時，電機無須供電。如欠壓、過壓、過轉(zhuǎn)矩、過電流保護等，使整個電控系統(tǒng)的可靠性、安全性得到保證。由于系統(tǒng)為零速制動，制動器無相對轉(zhuǎn)動摩擦，所以使用壽命理論上為無窮大，實際上至少延長十幾倍。

（2）降低成本。通過矢量控制變頻器對塔吊、浮吊和升降機機型改造，可降低維修費用，同型號非調(diào)速升降機，每年至少要更換四次齒輪和制動盤以及若干個接觸器，此項費用至少為25 000 余元。而且要占用工作時數(shù)。用此項技術(shù)，齒輪可少換50%，齒條壽命延長一倍，制動器使用十年，年可節(jié)約維修費20 000元。

采用先進的矢量控制技術(shù)對塔吊、浮吊、升降機電力拖動系統(tǒng)進行技術(shù)改造，不僅增強了設(shè)備的安全與可靠性，而且為企業(yè)和社會節(jié)省了大量的電能，因此在建筑行業(yè)具有很好的推廣應(yīng)用價值。

4 產(chǎn)品的性能數(shù)據(jù)和應(yīng)用技術(shù)情況

本文以ALPHA6000S產(chǎn)品[3]說明其應(yīng)用的參數(shù)和有關(guān)性能數(shù)據(jù)。

（1）平層部分主要參數(shù)，見表1。

表1 平層部分主要參數(shù)

（2）起重部分主要參數(shù)，見表2。

表2 起重部分主要參數(shù)

（3）保護部分主要參數(shù)，見表3。

表3 保護部分主要參數(shù)

以建工升降機、塔吊、浮吊為例，對傳統(tǒng)的機械控制系統(tǒng)與改造后的功能效果進行比較，具體見表4。

5 結(jié)束語

基于矢量控制技術(shù)的變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)機械裝備過程的自動化、智能化、精益化、綠色化，并有效帶動裝備制造業(yè)整體技術(shù)水平的提升，隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，通過專業(yè)化的技術(shù)服務(wù)裝配到行業(yè)機械設(shè)備上，有效改進設(shè)備的運行狀況，還可以減少電耗消費，降低成本的投入，其應(yīng)用前景將變得非常廣闊。

表4 起重部分主要參數(shù)

［1］陳國呈，宋文祥，吳春華.變頻驅(qū)動技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［2］樊冰，劉紅兵，崔勇.矢量控制型變頻器在提升系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.船電技術(shù)，2012（S1）：65-68.

［3］ALPHA.基于矢量變頻技術(shù)的起重專用驅(qū)動控制器［Z］.2012.

［4］石克鋒.變頻調(diào)速在礦井提升中的應(yīng)用［J］.科技資訊，2011（18）：93-94.

［5］張瑞琳，李根榮.矢量控制變頻器在鋁電解起重機上的應(yīng)用［J］.電機技術(shù)，2009（5）：39-40.