柴昭一，蒙智峰，湯小偉

（陜西建設(shè)機械股份有限公司，陜西 西安 710032）

變頻器作為節(jié)約能源的關(guān)鍵設(shè)備取得了長足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于風(fēng)機、泵類。近年來塔機上也廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅大大提高了效率還能節(jié)約電能。塔機變頻器主要采用開環(huán)V/F控制。開環(huán)V/F控制系統(tǒng)是基于交流電機穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上得出的，它不依賴電機參數(shù)及其變化，因此控制簡單，容易實現(xiàn)。但塔機機構(gòu)電機在輕載的情況下，運行于某一頻率段時可能會出現(xiàn)振動。此時需要改進開環(huán)V/F控制算法解決此問題，以保證變頻器在塔機上的穩(wěn)定運行。

1 變頻調(diào)速在塔機上應(yīng)用的優(yōu)越性

以塔機起升機構(gòu)為例，一方面為了提高生產(chǎn)效率，在空鉤或輕載情況希望速度盡可能高，另一方面在安裝就位時，又希望速度盡可能低，同時又要在起動、換速過程中機械沖擊和電流沖擊要盡可能小。過去為了達到這一要求，采取了很多方法，比如使用最多的繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻加渦流制動器配合用電磁離合器換擋的變速箱的調(diào)整方案、雙電機調(diào)速方案、雙速繞線電機加渦流制動器調(diào)速方案等，均可以達到上述目的。但又各存在不足之處，要么可靠性不高或使用不方便，或者是成本高，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜等。希望能找到一種既能達到上述要求、可靠性較高且成本相對較低的調(diào)速方案，這就是變頻調(diào)速方案［1-5］。變頻調(diào)速在塔機上應(yīng)用有以下優(yōu)點：

（1）調(diào)速范圍大。目前變頻器的輸出頻率可以達到200～400Hz，如電機額定頻率為50Hz，輸出最高頻率定為200Hz，輕載時也可以達到額定速度的4倍。

（2）變頻調(diào)速可以滿足塔機性能要求。即在0～50Hz內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，在大于50Hz時為恒功率。若使用磁通矢量變頻器，可以提高在低速區(qū)的輸出轉(zhuǎn)矩，在1Hz運轉(zhuǎn)時也能輸出150%的額定轉(zhuǎn)矩。

（3）起動、換速時的沖擊小?？梢匀藶樵O(shè)置最佳的起動、換速時間和速度變化曲線，使機械沖擊和電流沖擊減少到最小程度，從而提高了機械傳動和結(jié)構(gòu)件的壽命。

（4）變頻調(diào)速使用鼠籠電機，使電機可靠性高，成本低，維護簡單，而且選擇面也比專用電機寬。

（5）節(jié)省能源。主要在低速段，過去一些調(diào)速方式要想獲得低速，將能量消耗在電機自身或電阻上，造成電機發(fā)熱，使低速運行時間受到限制。變頻調(diào)速另一個特點是高低速時功率因素基本不變，而其它調(diào)速方式不容易做到這點。

（6）變頻器接口多，容易與微機配合，與各種保護裝置配合，為塔機進一步自動化提供了廣闊的空間，使塔機可靠性進一步提高。

（7）由于變速范圍大，變速容易，故能降低司機操作的勞動強度，從而提高勞動生產(chǎn)率和增加操縱安全性。

（8）減小了電源的容量。由于變頻調(diào)速起動和換接電流沖擊小，故與其它調(diào)速方案（特別是多速電機和雙速繞線電機）相比，電源容量要求就小得多。

2 塔機變頻器在V/F模式下穩(wěn)定運行的算法

開環(huán)V/F控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定是一個非常復(fù)雜的問題，它與很多因素有關(guān)。當(dāng)變頻器的開關(guān)頻率較高時，死區(qū)效應(yīng)會導(dǎo)致定子電流畸變和波動，而且這種畸變還會引起電機轉(zhuǎn)速波動。V/F控制方法忽略了定子電阻和漏感，但在實際系統(tǒng)中定子電阻和漏感的存在導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。常規(guī)的電壓型PWM調(diào)制V/F控制系統(tǒng)中，死區(qū)時間內(nèi)同一相中的上下橋臂均處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載側(cè)能量向主回路電容側(cè)回饋，因此穩(wěn)定運行時仍然存在有功及無功能量的波動。這一波動導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩及電機轉(zhuǎn)速波動，在空載或輕載的情況下，激發(fā)電機轉(zhuǎn)速持續(xù)振蕩，變頻器輸出電流大幅振蕩，繼而引起系統(tǒng)保護。下面提出一種基于電機有功功率和視在功率對電機輸出頻率進行補償?shù)乃惴?，以保證變頻器在V/F模式下的穩(wěn)定運行。

此頻率補償算法包含采樣單元、坐標(biāo)變換軟件單元、功率計算軟件單元、濾波單元、頻率補償單元和限幅單元。系統(tǒng)框圖如圖1所示。由于需要知道電機有功功率和視在功率，所以首先要通過采樣軟件單元包含電機三相電流采樣及濾波和電機輸入電壓采樣，坐標(biāo)變換軟件單元用于將三相電流、電壓變換成兩相電流、電壓，計算出α軸和β軸上的電流和電壓。功率計算軟件單元包含計算輸入到電機的有功功率P和視在功率S，一階低通濾波單元包含對采樣的三相電流進行濾波和對效率（有功功率P除以視在功率S）進行濾波。P調(diào)節(jié)器用于將效率誤差進行P調(diào)節(jié)，然后乘以額定頻率得到補償頻率。限幅單元用于對補償頻率進行限幅，積分處理單元用于通過對角頻率ω進行積分運算獲得旋轉(zhuǎn)角θ。對采樣的三相輸入電流進行濾波，一階低通濾波的傳遞函數(shù)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

計算輸入到電機的有功功率和視在功率。先對采樣的三相電流電壓進行3/2坐標(biāo)變換，得到兩相電流Iα、Iβ，兩相電壓Uα、Uβ，有功功率和視在功率

計算效率誤差，其中效率公式為

將效率進行濾波，一階低通濾波后得到LPF（η），效率誤差

利用P調(diào)節(jié)器對效率誤差進行調(diào)節(jié)，補償頻率

對角速度ω進行積分得到旋轉(zhuǎn)角度

設(shè)變頻器輸出到電機的三相電流經(jīng)過濾波后為經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換后同樣輸出的三相電壓經(jīng)過濾波后為ua、ub、uc，經(jīng)過3/2坐標(biāo)變換后，ua=其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

3 塔機行業(yè)自動化產(chǎn)品發(fā)展趨勢

自動化產(chǎn)品在塔機行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)得到認(rèn)同，未來5年內(nèi)將會保持高速增長需求。市場的兩個趨勢有利于塔機市場的規(guī)模擴大。

（1）塔機的大型化趨勢。

當(dāng)前塔機的自動化應(yīng)用主要在中大型塔機，中國中大型塔機約占塔機總量的50%，其它50%的小型塔機自動化程度低。塔機的大型化直接導(dǎo)致塔機整體市場的自動化程度增強。如果按照塔機市場50%的中大型塔機全部應(yīng)用PLC和變頻器，以每年銷售新增塔機3萬臺計算，1臺塔機用3臺變頻器（1臺1.5～5.5kW變頻器，1臺15kW變頻器，1臺中型PLC1萬），變頻器的市場潛力是5億，再加上市場改造，潛力非常巨大。

（2）小型塔機市場開發(fā)潛力大。

50%的小型塔機市場前景廣闊，首先小型塔機應(yīng)用的變頻器功率不大，對成本價格提高不多，但使用了變頻調(diào)速技術(shù)會提高塔機整體性能。假設(shè)小型塔機只在起升機構(gòu)應(yīng)用1臺變頻器，也有1.5萬余臺的變頻器市場。

4 結(jié)束語

由于變頻調(diào)速技術(shù)在塔機應(yīng)用的優(yōu)越性以及塔機市場的規(guī)模擴大，未來變頻器將會更加廣泛應(yīng)用于塔機。塔機變頻器控制穩(wěn)定運行是必要條件，開環(huán)V/F模式控制簡單，易于實現(xiàn)。在開環(huán)V/F控制中增加上述算法，將更加優(yōu)化塔機變頻器的控制性能。

［1］ 陸學(xué)文. 我國塔式起重機發(fā)展概況［J］. 建設(shè)機械技術(shù)與管理，2003，（11）：15-18.

［2］ 李守林. 我國塔式起重機的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］. 建筑機械化，2000，（6）：9-11.

［3］ 張啟君. 中國工程起重機市場回顧及前景展望［J］. 交通世界，2006，（2）：62-65.

［4］ 鄒斌. 起重機械電氣調(diào)速控制技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨向［J］. 港口裝卸，2005，（1）：12-14.

［5］ 鄭曉甌. 變頻調(diào)速在塔式起重機上的應(yīng)用［J］. 建筑機械化，2003，（5）：15-17.