胡斌杰+趙志森+張乾能

當(dāng)前，吊具電纜全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動(dòng)方式在橋吊中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。變頻調(diào)速技術(shù)具有功率因數(shù)高、啟制動(dòng)快速平穩(wěn)、調(diào)速性能好、維修保養(yǎng)方便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，適用于小功率驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)且效果較好。…目前，大功率變頻調(diào)速技術(shù)已基本成熟，只要選用成功使用范例的產(chǎn)品，正確設(shè)計(jì)橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速方案，就能確保其可靠性和安全性。本文介紹一種橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速方案，以期為橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)改造提供一定參考。

1變頻調(diào)速原理

由電機(jī)學(xué)理論可知，三相交流異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為

n=60/fP （1）

式中：n為同步轉(zhuǎn)速，r/min；f為電源頻率，Hz；P為磁極對(duì)數(shù)。

轉(zhuǎn)子在電磁力作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速）為

式中：n_M為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，r/min；S為轉(zhuǎn)差率。

由式（2）可知，可以通過(guò)改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)、轉(zhuǎn)差率或電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，也就是通常所說(shuō)的變極調(diào)速、變轉(zhuǎn)差率調(diào)速和變頻調(diào)速。

變極調(diào)速的缺點(diǎn)明顯：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速呈非連續(xù)性階躍式變化，所以調(diào)整范圍較小，且接線復(fù)雜。

變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法包括定子電壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速。定子電壓調(diào)速指改變加在定子繞組上的電壓，負(fù)載轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)不同的電源電壓，可獲得不同的工作點(diǎn)，從而得到不同的轉(zhuǎn)速；其優(yōu)點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍較大，缺點(diǎn)是低壓時(shí)機(jī)械特性太軟，轉(zhuǎn)速變化大。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速指在轉(zhuǎn)子中串入電阻，所串的電阻越大，運(yùn)行段機(jī)械特性的斜率越大，主要用于中小容量的繞線式異步電動(dòng)機(jī)；其優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是損耗大。串級(jí)調(diào)速指在轉(zhuǎn)子電路中串入與轉(zhuǎn)子電勢(shì)頻率相同的三相對(duì)稱的附加電勢(shì)，通過(guò)改變其大小和相位來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；其優(yōu)點(diǎn)是效率較高，能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，缺點(diǎn)是功率因數(shù)較小。

變頻調(diào)速通過(guò)改變電源頻率來(lái)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，但單純的頻率改變會(huì)導(dǎo)致磁通太弱或太強(qiáng)，從而影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能；因此，需要協(xié)調(diào)控制頻率和電壓來(lái)保證變頻調(diào)整時(shí)磁通不變。

三相異步電動(dòng)機(jī)定子每相電動(dòng)勢(shì)的有效值為式中：E_g為氣隙磁通在定子每相中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有效值，V；f₁為定子頻率，Hz；N_s為定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù)；K_N為定子基波繞組因數(shù)；φ_m為每極氣隙磁通量，Wb。

由式（3）可知，在從基頻向下調(diào)節(jié)頻率f₁的同時(shí)也降低相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E_g，則可在變頻時(shí)保持φ_m不變。由于E_g難以直接控制，故用與其相近的定子相電壓來(lái)替代，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在基頻以下，磁通量恒定時(shí)轉(zhuǎn)矩也恒定不變，故這種調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。在基頻以上，由于頻率已超過(guò)基頻，而定子電壓卻不可能超過(guò)額定電壓，此時(shí)磁通量無(wú)法保持不變，只會(huì)與頻率成反比降低，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，轉(zhuǎn)矩減小，故這種調(diào)速稱為恒功率調(diào)速。

從上述兩種調(diào)速的特性來(lái)看：基頻以下調(diào)速可用于吊具電纜緩慢上升時(shí)，此時(shí)需較大轉(zhuǎn)矩以卷起電纜；基頻以上調(diào)速可用于吊具電纜快速下降時(shí)，此時(shí)電纜無(wú)需較大轉(zhuǎn)矩，但要求速度較快。

一方面，變頻調(diào)速具有平滑無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍大、效率高等優(yōu)點(diǎn)；另一方面，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流小且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能適應(yīng)頻繁啟制動(dòng)場(chǎng)合，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。因此，變頻調(diào)速在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。當(dāng)然，變頻調(diào)速也有缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)較復(fù)雜、成本相對(duì)較高等方面。

2變頻器控制方法

變頻器利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，常用的控制方法有V/f控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等。

V/f控制通過(guò)控制變頻器輸出電壓與輸出頻率的比值來(lái)控制轉(zhuǎn)矩，該控制方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且機(jī)械特性較硬。這種變頻器一般采用開(kāi)環(huán)控制方式，控制性能不佳，且低頻時(shí)調(diào)速性能下降，穩(wěn)定性差，要進(jìn)行轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，以改變低頻轉(zhuǎn)矩特性。

轉(zhuǎn)差頻率控制指在V/f控制的基礎(chǔ)上，在控制系統(tǒng)中安裝速度傳感器，甚至增加電流反饋，以便控制頻率和電流，從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)矩的目的。該控制方式是一種閉環(huán)控制方式，與開(kāi)環(huán)的V/f控制相比，系統(tǒng)的加減速特性和穩(wěn)定性均得到提高，對(duì)過(guò)電流的限制效果較好。

矢量控制指以矢量坐標(biāo)電路來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子電流的大小和相位以及勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，從而控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。該控制方式具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)；但其實(shí)時(shí)性不太理想，控制精度也會(huì)因計(jì)算精度的不同而有較大差別。

直接轉(zhuǎn)矩控制指通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，利用空間矢量、定子磁場(chǎng)定向分析，計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，并與給定值比較得出差值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的直接控制。

3橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速方案

對(duì)橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)來(lái)講，采用變頻調(diào)速須滿足以下技術(shù)要求：（1）為保證吊具電纜控制系統(tǒng)在低頻時(shí)能帶動(dòng)電纜移動(dòng)，必須確保其在低頻時(shí)有足夠的輸出轉(zhuǎn)矩，即在低頻時(shí)應(yīng)保持恒轉(zhuǎn)矩輸出；（2）橋吊吊具在上升與下降及重載與空載時(shí)的速度不一致，因此，電纜的調(diào)速范圍必須包含吊具所有可能的速度；（3）吊具電纜的跟隨性要好，即電纜的收放速度必須與吊具上升和下降的速度保持一致。要解決上述問(wèn)題，必須合理選擇變頻器控制方式，同時(shí)，還需要計(jì)算變頻器容量，匹配合適的制動(dòng)電阻。

變頻器額定電流與電動(dòng)機(jī)額定電流I，最大轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩比K₁，變頻器過(guò)載能力K₂（一般取1.5）及余量K₃（通常取1.2）有關(guān)，一般通過(guò)以下公式來(lái)確定，即

本文采用的變頻器為西門子6SE70234EC61 ZG91（15 kW），該系列變頻器具有矢量控制、V/f控制等多種控制模式。選用直接轉(zhuǎn)矩控制模式來(lái)控制變頻電動(dòng)機(jī)，以確保系統(tǒng)有較大的調(diào)速范圍和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使其在低頻時(shí)能輸出足夠的轉(zhuǎn)矩。在直接轉(zhuǎn)矩控制模式下，使用增量型編碼器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，與可編程邏輯控制器拾取的吊具提升的高度和速度作比對(duì)并得出差值，進(jìn)而不斷調(diào)整電纜速度，以保證能隨吊具的速度變化來(lái)收纜和放纜，確保其有良好的跟隨性。

同時(shí)，控制系統(tǒng)采用變頻調(diào)速方式：當(dāng)頻率在基頻（50 Hz）以上調(diào)速時(shí)，其為恒功率調(diào)速，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，吊具電纜收放速度加快，以使其與吊具空載速度保持一致；當(dāng)頻率在基頻（50 Hz）以下調(diào)速時(shí)，其為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，保證低頻時(shí)輸出的轉(zhuǎn)矩足夠使用。橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速原理如圖1所示，橋吊吊具電纜變頻器接線如圖2所示。

通過(guò)可編程邏輯控制器對(duì)電纜變頻電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)整。要實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制功能，還須對(duì)變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，部分基本參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

4結(jié)束語(yǔ)

橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)具有平滑無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍大、效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛；不過(guò)，該技術(shù)也存在系統(tǒng)較復(fù)雜、成本相對(duì)較高等缺點(diǎn)。橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速方案設(shè)計(jì)可為橋吊吊具控制系統(tǒng)可編程邏輯控制器程序設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，并為橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)改造提供一定借鑒。