朱建鋒，張 靜

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

0 引言

近年來(lái)，隨著各行業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，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(lái)越廣泛。2011年，變頻驅(qū)動(dòng)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(jī)、電梯行業(yè)、樓宇HVAC、無(wú)感伺服等行業(yè)，產(chǎn)品研發(fā)策略也朝著自動(dòng)化、智能化、專業(yè)化和綠色化的方向發(fā)展，成為國(guó)防、交通、建筑工程、能源、環(huán)保和資源利用等國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。

建工設(shè)備包括有場(chǎng)地平整機(jī)械、混凝土機(jī)械、鋼筋拉伸機(jī)械、起重機(jī)械、塔吊和升降機(jī)械等，是實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，同時(shí)也決定著工期進(jìn)度和項(xiàng)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(dòng)控制裝置，具有感知、分析、推理、決策和控制的功能模塊；通過(guò)技術(shù)手段提高裝配設(shè)備的安全等級(jí)，實(shí)現(xiàn)電子數(shù)字保護(hù)；在操作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)緩啟、緩?fù)＃_保啟動(dòng)平穩(wěn)，精確度可達(dá)到毫米級(jí)；采用無(wú)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(wú)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，能保證在負(fù)載頻繁波動(dòng)的情況下，變頻器也不會(huì)跳閘。通過(guò)此方式對(duì)普通塔吊、浮吊進(jìn)行變頻改造，可以為塔吊、浮吊和升降機(jī)帶來(lái)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(jī)床等工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。其中主要涉及以下幾個(gè)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(dòng)機(jī)的定子電流矢量分解為產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)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(shí)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(jī)參數(shù)，計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鏈的位置，對(duì)交流電機(jī)解耦，使運(yùn)行控制直流電機(jī)化。其過(guò)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(shí)別技術(shù)

正像交流異步電機(jī)的“異步”定義的那樣，它的轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速并不等于轉(zhuǎn)子磁通轉(zhuǎn)速，這就是說(shuō)不能通過(guò)位置傳感器或速度傳感器直接檢測(cè)到交流異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁鏈位置。轉(zhuǎn)子磁鏈位置在交流異步電機(jī)矢量控制中是一個(gè)非常重要的參數(shù)，沒(méi)有它就不能進(jìn)行Park 變換和逆變換[1]，轉(zhuǎn)子磁鏈位置識(shí)別技術(shù)的優(yōu)劣關(guān)乎矢量控制的性能。對(duì)于有PG矢量控制的轉(zhuǎn)子磁鏈位置計(jì)算，主要是如下公式（1）和（2）來(lái)計(jì)算：

1.3 基于MRAS和IIR的無(wú)速度傳感器磁通和轉(zhuǎn)速的識(shí)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(jī)按直流電機(jī)控制規(guī)律來(lái)進(jìn)行控制。電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)速的識(shí)別與控制技術(shù)通過(guò)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(shí)別轉(zhuǎn)速，包括轉(zhuǎn)差和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。無(wú)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(jiǎn)單、廉價(jià)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(shí)別的死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)

通過(guò)對(duì)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(shí)別，選用不同的電流幅值比較，確定補(bǔ)償或不補(bǔ)償，進(jìn)而獲得不同的PWM 死區(qū)補(bǔ)償量；由SVPWM 正常發(fā)波的占空比，加上或減去死區(qū)補(bǔ)償量，獲得最終的PWM占空比，實(shí)現(xiàn)死區(qū)補(bǔ)償。

1.5 電機(jī)參數(shù)辨識(shí)技術(shù)

在異步電機(jī)無(wú)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(jī)參數(shù)的準(zhǔn)確性，其對(duì)磁場(chǎng)定向的準(zhǔn)確性與解耦控制的性能影響很大。通過(guò)電機(jī)參數(shù)識(shí)別技術(shù)[2]，可準(zhǔn)確識(shí)別電機(jī)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(diǎn)

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

2.1 磁通制動(dòng)

磁通制動(dòng)的原理是通過(guò)增加電機(jī)磁通的方法加快電機(jī)減速，此時(shí)電機(jī)制動(dòng)過(guò)程中的電能轉(zhuǎn)化為熱能，使能量消耗在電機(jī)內(nèi)部，改變了傳統(tǒng)的電機(jī)制動(dòng)需匹配制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的快速制動(dòng)，減小由于電機(jī)慣性對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的影響。

2.2 防堵轉(zhuǎn)處理

通過(guò)電流矢量技術(shù)，可對(duì)電流實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)進(jìn)行偵測(cè)和控制，當(dāng)檢測(cè)到負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)大，電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，矢量控制變頻器會(huì)自動(dòng)適當(dāng)提高輸出轉(zhuǎn)矩，嘗試重新啟動(dòng)。這樣就解決了電機(jī)突加負(fù)載時(shí)引起電機(jī)堵轉(zhuǎn)，而迫使生產(chǎn)停工或返工的問(wèn)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(huì)及時(shí)響應(yīng)，通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)能量控制電機(jī)減速，從而達(dá)到繼續(xù)維持運(yùn)行的目的。此功能有效地控制了在電網(wǎng)掉電時(shí)電機(jī)不受控的狀況，同時(shí)，在瞬時(shí)跳閘期間及復(fù)電后，保證了電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，真正實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)跳閘時(shí)變頻器的無(wú)跳閘運(yùn)行。

2.4 預(yù)勵(lì)磁技術(shù)

起動(dòng)問(wèn)題自電機(jī)誕生之日起就是業(yè)界研究的重點(diǎn)之一。電機(jī)常規(guī)起動(dòng)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩小而起動(dòng)電流大，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)拖動(dòng)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(shí)，需要開(kāi)關(guān)器件的裕量足夠大，卻由此帶來(lái)了成本問(wèn)題。而預(yù)勵(lì)磁技術(shù)有效地解決了該問(wèn)題，此技術(shù)基于間接矢量控制的思想，預(yù)先在電機(jī)起動(dòng)之前建立磁場(chǎng)，將轉(zhuǎn)子磁鏈定向在電機(jī)某相繞組的中心線上，而起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)換到常規(guī)矢量控制算法，從而實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)過(guò)程中勵(lì)磁子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)矩子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)解耦，電流平滑過(guò)渡且輸出轉(zhuǎn)矩響應(yīng)快，避免了以往任何起動(dòng)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(jì)技術(shù)

在轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子磁鏈的準(zhǔn)確估計(jì)至關(guān)重要。如果轉(zhuǎn)子磁鏈的估計(jì)不準(zhǔn)確，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)應(yīng)有的優(yōu)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)模型的選擇非常重要。常用的磁鏈估計(jì)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(jì)模型要求不同的輸入量，并各有其優(yōu)缺點(diǎn)。本產(chǎn)品[3]從轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的無(wú)速度傳感器異步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)要求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)一種改進(jìn)的電壓型轉(zhuǎn)子磁鏈估計(jì)模型。

2.6 自動(dòng)平層技術(shù)

傳統(tǒng)的升降機(jī)靠操作工來(lái)回調(diào)整來(lái)平層，這種平層方式效率低，誤差大，且有機(jī)械沖擊。矢量控制變頻器采用位置編碼器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轎廂的當(dāng)前位置，對(duì)剩余距離進(jìn)行計(jì)算，以S 曲線停靠平層。制動(dòng)時(shí)按照運(yùn)動(dòng)控制學(xué)原理采用獨(dú)待的算法，既能保證平滑的S 曲線，又能根據(jù)剩余距離實(shí)時(shí)調(diào)整，無(wú)需爬行段，真正實(shí)現(xiàn)零速平層。這種自動(dòng)平層方式效率高，精度高，無(wú)機(jī)械沖擊，又能保證一定的舒適性。

2.7 無(wú)線呼叫技術(shù)

各樓層客戶端通過(guò)無(wú)線發(fā)射器發(fā)出樓層呼叫信號(hào)。矢量控制變頻器通過(guò)無(wú)線接口，接收到樓層信號(hào)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(hào)碼。轎廂控制人員根據(jù)顯示的號(hào)碼，優(yōu)先選擇需要到達(dá)的樓層號(hào)碼；一旦到達(dá)該樓層，則該樓層對(duì)應(yīng)的號(hào)碼消失，直到下次再次呼叫，并排隊(duì)顯示。在轎箱控制人員不干涉的情況下，根據(jù)自身計(jì)算的樓層?？烤嚯x，準(zhǔn)確到達(dá)樓層。

3 矢量控制變頻器在建工機(jī)械的應(yīng)用效果

3.1 對(duì)升降機(jī)設(shè)備的應(yīng)用效果改善

通過(guò)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(hù)智能化，產(chǎn)品帶有轎廂荷重保護(hù)，貨物裝載后會(huì)有重量感應(yīng)，確保承重量在安全范圍。如果超過(guò)承重范圍，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)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(jī)的選平層是由司機(jī)靠目測(cè)手動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的，效率低，經(jīng)常要上、下點(diǎn)動(dòng)幾次才能準(zhǔn)確停層。既降低了效率又增大了拖動(dòng)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(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單化，通過(guò)人機(jī)操作界面選擇?？科綄樱上到y(tǒng)自動(dòng)測(cè)算距離，保證停靠位置的準(zhǔn)確性。

（3）無(wú)線呼叫功能?？蛻舳送ㄟ^(guò)無(wú)線發(fā)射器，發(fā)出樓層呼叫信號(hào)。變頻器通過(guò)無(wú)線接口，接收到樓層信號(hào)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(hào)碼，無(wú)需人工傳達(dá)。

3.2 對(duì)塔吊設(shè)備應(yīng)用效果的改善

變頻器的平穩(wěn)起動(dòng)及制動(dòng)特性減少了機(jī)械沖擊，降低了結(jié)構(gòu)損耗；且起動(dòng)電流較小，在頻繁起動(dòng)與制動(dòng)中減少電機(jī)熱損，延長(zhǎng)電機(jī)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(guò)引入變頻器后整機(jī)的故障率降低，維護(hù)量減少，最終提高作業(yè)效率。尤其是變頻器的無(wú)極調(diào)速技術(shù)有效地解決了機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)沖擊，延長(zhǎng)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(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)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(hào)。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(hào)。在起升、抓斗及變幅等各個(gè)機(jī)構(gòu)上設(shè)有超行程限位開(kāi)關(guān)，其信號(hào)全部送入PLC，在超行程信號(hào)時(shí)發(fā)出指令讓相應(yīng)的機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作，以防失控?fù)p壞設(shè)備。

（3）制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻。起升及抓斗電機(jī)在負(fù)荷下降時(shí)，重物的勢(shì)能將轉(zhuǎn)化成為電能，再由變頻器附加的制動(dòng)電阻將此電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒌簦赃_(dá)到平穩(wěn)制動(dòng)的目的。旋轉(zhuǎn)及變幅電機(jī)也附加了制動(dòng)電阻，作為減速過(guò)程中的制動(dòng)手段。制動(dòng)電阻是通過(guò)制動(dòng)單元接入變頻器的，制動(dòng)單元能夠根據(jù)需要自動(dòng)投入和切除制動(dòng)電阻。制動(dòng)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(gè)機(jī)構(gòu)從零速推進(jìn)到最高速時(shí)，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。快速反向防誤操作，當(dāng)操作人員將某個(gè)機(jī)構(gòu)從一個(gè)方向的高速運(yùn)行快速切換到反方向運(yùn)行時(shí)，變頻器將不立即響應(yīng)此操作，而是按正常程序減速停機(jī)，待獲得零速反饋后再進(jìn)行反向啟動(dòng)。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(jī)構(gòu)超越正常行程，PLC 將立即發(fā)出該機(jī)構(gòu)的緊急停止指令，同時(shí)封鎖該方向的操作，反方向操作將在操作器復(fù)零時(shí)激活，以便機(jī)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(jìn)，也減少電機(jī)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?yàn)樵谙陆禃r(shí)，電機(jī)無(wú)須供電。如欠壓、過(guò)壓、過(guò)轉(zhuǎn)矩、過(guò)電流保護(hù)等，使整個(gè)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(dòng)，制動(dòng)器無(wú)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦，所以使用壽命理論上為無(wú)窮大，實(shí)際上至少延長(zhǎng)十幾倍。

（2）降低成本。通過(guò)矢量控制變頻器對(duì)塔吊、浮吊和升降機(jī)機(jī)型改造，可降低維修費(fèi)用，同型號(hào)非調(diào)速升降機(jī)，每年至少要更換四次齒輪和制動(dòng)盤以及若干個(gè)接觸器，此項(xiàng)費(fèi)用至少為25 000 余元。而且要占用工作時(shí)數(shù)。用此項(xiàng)技術(shù)，齒輪可少換50%，齒條壽命延長(zhǎng)一倍，制動(dòng)器使用十年，年可節(jié)約維修費(fèi)20 000元。

采用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)對(duì)塔吊、浮吊、升降機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，不僅增強(qiáng)了設(shè)備的安全與可靠性，而且為企業(yè)和社會(huì)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(jià)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(shuō)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(jiàn)表1。

表1 平層部分主要參數(shù)

（2）起重部分主要參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 起重部分主要參數(shù)

（3）保護(hù)部分主要參數(shù)，見(jiàn)表3。

表3 保護(hù)部分主要參數(shù)

以建工升降機(jī)、塔吊、浮吊為例，對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械控制系統(tǒng)與改造后的功能效果進(jìn)行比較，具體見(jiàn)表4。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于矢量控制技術(shù)的變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械裝備過(guò)程的自動(dòng)化、智能化、精益化、綠色化，并有效帶動(dòng)裝備制造業(yè)整體技術(shù)水平的提升，隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，通過(guò)專業(yè)化的技術(shù)服務(wù)裝配到行業(yè)機(jī)械設(shè)備上，有效改進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行狀況，還可以減少電耗消費(fèi)，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(guó)呈，宋文祥，吳春華.變頻驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jī)上的應(yīng)用［J］.電機(jī)技術(shù)，2009（5）：39-40.