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变频调速在起重机械上的应用

2008年8月1日  

    
   
   
     1、交流调速系统概述
      
      1.1 交流调速系统的特点
      对于可调速的电力拖动系统,工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的,所谓交流调速系统,就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置,并对其进行控制以产生所需要的转速。
      纵观电力拖动的发展过程,交、直流两大调速系统一直并存于各个工业领域,虽然由于各个时期科学技术的发展使得它们所处的地位有所不同,但它们始终是随着工业技术的发展,特别是随着电力电子元器件的发展而在相互竞争。在过去很长一段时期,由于直流电动机的优良调速性能,在可逆、可调速与高精度、宽调速范围的电力拖动技术领域中,几乎都是采用直流调速系统。然而由于直流电动机其有机械式换向器这一致命的弱点,致使直流电动机制造成本高、价格昂贵、维护麻烦、使用环境受到限制,其自身结构也约束了单台电机的转速,功率上限,从而给直流传动的应用带来了一系列的限制。相对于直流电动机来说,交流电动机特别是鼠笼式异步电动机具有结构简单,制造成本低,坚固耐用,运行可靠,维护方便,惯性小,动态响应好,以及易于向高压、高速和大功率方向发展等优点。因此,近几十年以来,不少国家都在致力于交流调速系统的研究,用没有换向器的交流电动机实现调速来取代直流电动机,突破它的限制。
      随着电力电子器件,大规模集成电路和计算机控制技术的迅速发展,以及现代控制理论向交流电气传动领域的渗透,为交流调速系统的开发研究进一步创造了有利的条件。诸如交流电动机的串级调速、各种类型的变频调速,特别是矢量控制技术的应用,使得交流调速系统逐步具备了宽的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及在四象限作可逆运行等良好的技术性能。现在从数百瓦的伺服系统到数百千瓦的特大功率高速传动系统,从一般要求的小范围调速传动到高精度、快响应、大范围的调速传动,从单机传动到多机协调运转,已几乎都可采用交流调速传动。交流调速传动的客观发展趋势已表明,它完全可以和直流传动相媲美、相抗衡,并有取代的趋势。
      
      1.2 交流调速常用的调速方案及其性能比较
      由电机学知,交流异步电动机的转速公式如下:
      
      n= 60ƒ1 (1-s) (1-1)
       pn
      
      式中 Pn——电动机定子绕阻的磁极对数;
       f1——电动机定子电压供电频率;
       s ——电动机的转差率。
      从式(1-1)中可以看出,调节交流异步电动机的转速有三大类方案。
      
      
      (1)改变电动机的磁极对数
      由异步电动机的同步转速
      
      no= 60ƒ1
       pn
      
      可知,在供电电源频率f1不变的条件下,通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn,即可改变异步电动机的同步转速n0,从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单,只要求电动机定子绕组有多个抽头,然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式,电动机转速的变化是有级的,不是连续的,一般最多只有三档,适用于自动化程度不高,且只须有级调速的场合。
      (2)变频调速
       从式(1—1)中可以看出,当异步电动机的磁极对数Pn一定,转差率s—定时,改变定子绕组的供电频率f1可以达到调速目的,电动机转速n基本上与电源的频率f1成正比,因此,平滑地调节供电电源的频率,就能平滑,无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大,低速特性较硬,基频f=50Hz以下,属于恒转矩调速方式,在基频以上,属于恒功率调速方式,与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似。且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能,大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩。所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
      (3)变转差率调速
      改变转差率调速的方法很多,常用的方案有:异步电动机定子调压调速,电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速,串级调速等。
      定子调压调速系统就是在恒定交流电源与交流电动机之间接入晶闸管作为交流电压控制器,这种调压调速系统仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。为了能得到好的调速精度与能稳定运行,一般采用带转速负反馈的控制方式。所使用的电动机可以是绕线式异电动机或是有高转差率的鼠笼式异步电动机。
      电磁转差离台器调速系统,是由鼠笼式异步电动机、电磁转差离合器以及控制装置组合而成。鼠笼式电动机作为原动机以恒速带动电磁离合器的电枢转动,通过对电磁离合器励磁电流的控制实现对其磁极的速度调节。这种系统一般也采用转速闭环控制。
      绕线式异步电动机转子回路串电阻调速就是通过改变转子回路所串电阻来进行调速,这种调速方法简单,但调速是有级的,串入较大附加电阻后,电动机的机械特性很软,低速运行损耗大,稳定性差。
      绕线式异步电动机串级调速系统就是在电动机的转子回路中引入与转子电势同频率的反向电势Ef,只要改变这个附加的,同电动机转子电压同频率的反向电势Ef,就可以对绕线式异步电动机进行平滑调速。Ef越大,电动机转速越低。
       上述这些调速的共同特点是调速过程中没有改变电动机的同步转速n0,所以低速时,转差率s较大。
       在交流异步电动机中,从定子传入转子的电磁功率PM可以分成两部分:一部分P2=(1—s)PM是拖动负载的有效功率,另一部分是转差功率PS=sPM,与转差率s成正比,它的去向是调速系统效率高低的标志。就转差功率的去向而言,交流异步电动机调速系统可以分为三种:
      1)转差功率消耗型
       这种调速系统全部转差功率都被消耗掉,用增加转差功率的消耗来换取转速的降低,转差率s增大,转差功率PS=sPM增大,以发热形式消耗在转子电路里,使得系统效率也随之降低。定子调压调速、电磁转差离合器调速及绕线式异步电动机转子串电阻调速这三种方法属于这一类,这类调速系统存在着调速范围愈宽,转差功率PS愈大,系统效率愈低的问题,故不值得提倡。
      2)转差功率回馈型
       这种调速系统的大部分转差功率通过变流装置回馈给电网或者加以利用,转速越低回馈的功率越多,但是增设的装置也要多消耗一部分功率。绕线式异步电动机转子串级调速即属于这一类,它将转差功率通过整流和逆变作用,经变压器回馈到交流电网,但没有以发热形式消耗能量,即使在低速时,串级调速系统的效率也是很高的。
      3)转差功率不变型
       这种调速系统中,转差功率仍旧消耗在转子里,但不论转速高低,转差功率基本不变。如变极对数调速,变频调速即属于这一类,由于在调速过程中改变同步转速n0,转差率s是一定的,故系统效率不会因调速而降低。在改变n0的两种调速方案中,又因变极对数调速为有极调速,且极数很有限,调速范围窄,所以,目前在交流调速方案中,变频调速是最理想,最有前途的交流调速方案。
      
      1.3 变流调速系统的发展趋势
       近十几年来,随着现代控制理论、新型大功率电力电子器件、新型变频技术以及微型计算机数字控制技术等在实际应用中相继取得了重大进展,使得交流调速技术有了很大发展。今后的交流调速技术将在以下几个方面得到进一步的发展。
      (1)交流调速系统的高性能化
       交流电动机是个多变量、强耦合、非线性被控对象,仅用电压/频率(V/f)恒定控制,不能满足对调速系统的要求。今后的产品将普遍采用矢量控制技术,提高调速性能,达到和超过直流调速水平。
       矢量变换控制是一种新的控制理论和控制技术,它的想法是设法摸拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制。调速的关键问题是转矩控制问题,直流电动机调速性能好的根本原因就在于它的转矩控制容易,而交流电动机的转矩则难于控制。为使交流电动机得到和直流电动机一样的控制性能,必须通过电机统一理论和坐标变换理论,把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量,把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后,交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变,而控制转矩电流分量,它就相当于直流电机中维持励磁不变,而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样,能使系统具有较好的动态特性。
       矢量控制方法的提出使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善,这无疑是交流传动控制理论上一个质的飞跃。但是经典的矢量控制方法比较复杂,它要进行坐标变换,且需精确测算出转子磁链的大小和方向,比较麻烦,且其精度受转子参数变化的影响很大。近年来又出现了一种对交流电动机实现直接转矩控制的新方法,它避开了矢量控制中的两次坐标变换及求矢量的模与相角的复杂计算工作量,而直接在定子坐标系上计算电动机的转矩与磁通,通过转矩的砰砰控制,使转矩响应时间控制在一拍以内,且无超调,控制性能比矢量控制还好。此法虽尚未形成商品化的产品,但却是很有发展前景的一种新的控制原理。交流电动机调速控制理论,从V/f恒定控制法到矢量控制法是一个飞跃,从矢量控制法到直接转矩控制法将是第二个飞跃。
      (2)全控型大功率新型电力器件
       交流电动机调速技术的发展是和电力电子技术的发展分不开的,50年代世界上出现了电力半导体器件的晶闸管,为交流电动机调速技术的发展开辟了道路。但是作为第一代电力半导体器件的晶闸管没有自关断能力,需要利用电源或负载的外界条件来实现换相,因此用晶闸管来实现的交—直—交变频装置的核心的逆变器,必须配以大功率的强迫换相线路才能实现可靠的逆变。所以,人们一直在致力于研制出一种大功率,正反间均可用较小的功率进行导通与关断控制的全控型器件,以便用较简单的手段即可实现复杂的逆变工作。经过10年左右的研制,场效应晶体管(MOSFET),巨型晶体管(GTR)及门极关断(GTO)晶闸管等全控型器件问世,并在实际应用中取得了理想效果。从半控型器件向全控型器件的过渡标志着变频装置进入了可以与直流调速装置在性能/价格比上相比美,这是交流调速技术产生飞跃的又一个重要的突破。
       目前,全控型电力电子器件正沿着大电流、高电压、快通断、低损耗、易触发、好保护、小体积、集成化等方向继续发展,又出现了绝缘门极双极晶体管(IGBT)和绝缘栅门极关断(IGTO)晶体管等,即具有电压型控制、输入阻抗大、驱动功率小、控制电路简单、开关损耗小、通断速度快、工作频率高、器件容量大及热稳定性好的特点,又具有通态电压低、耐压高和承受电流大等优点。这类器件是90年代变频装置的主流。电力电子器件发展的更进一步的目标将是把控制、触发、保护等功能再集成化进来,从而形成电力电子与微电子技术相结合的产物,构成最新一代的功率集成器件(PIC)。它将为最新一代高可靠、小型化、电机与电控装置可能合而为一的未来型交流电动机调速系统提供新的发展基础。
      (3)脉宽调制技术
       在交流电动机的调速过程中,通常要求调频和调压同时进行,早期调压多用相控技术,用相控方式生成的变频电压电源含有大量的谐波分量,功率因数低,动态响应慢,线路复杂,无法满足高性能调速系统的要求。近年在广泛采用自关断元器件的情况下,逆变器普遍采用了脉宽调制技术,成功地解决了电源侧功率因数低的问题,同时也减少了谐波分量对电网的影响。为了限制开关损耗,脉宽调制的频率通常选在300~1000Hz左右,但这个频率正好在人耳的敏感区,所以电机运行时的噪声是一个新问题。为解决这个问题现在有几种不同的发展趋势。一种是采用新型的谐振式逆变器,可以把开关频率提高到20KHz以上的超声区,从而清除噪声;另一种是在现有的元器件基础上,优选调制策略,降低脉宽调制的频率至人耳不敏感区,从而降低噪声。总之,研究开关损耗小,功率因数高,谐波分量小,噪声低,运转平稳的逆变器是今后发展的方向。脉宽调制技术的发展与应用使变频装置性能优化,可以适用于各类交流电动机,为交流调速的普及创造了条件。
      (4)数字技术的应用
       随着计算机技术突飞猛进的发展,16位乃至32位微处理机的应用越来越普及,且由于微处理机的运算速度提高、价格下降等新因素的出现,在电气传动中控制系统硬件由模拟技术转向数字技术,全部采用数字控制,充分发挥微机控制的综合优点。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性、还为新的控制理论与方法提供了物质基础。微型计算机在性能、速度、价格、体积等方面的不断发展与交流电动机调速理论的现实化提供了最重要的保证。
       从发展趋势看,交流数字调速有以下两个发展方向:一是采用专用的硬件、大规模集成电路(IC);专用硬件可以降低设备的投资,提高装置的可靠性。研制交流调速系统专用的IC芯片,可使控制系统硬件小型化、简单化。二是采用通用计算机硬件、软件模块化,可编程化,通用硬件可编程序控制,应用范围广,但价高造。从国际上采用数字调速的情况来看,前者一般多用于中小容量的标准系列产品,后者多用于大型工程大容量的传动系统。
      
      1.4 交流变频调速在起重机上的应用
       绝大多数起重机要求在不同的场合,用不同的速度进行工作,其目的在于使起重机在各种合理的速度下有效地工作,以提高生产率和确保安全生产。这种调速过程需在运行过程中进行,而且变换次数较多,因而机械变速一般不合适,大多数情况下需采用电气调速。起重机电气调速系统分为两大类,即直流调速系统和交流调速系统,如前所述,直流调速方案因为直流电动机结构复杂,制造成本高,维护不便等诸多缺点,虽然目前在大型起重机上仍在使用,但正有逐步被交流调速方案所替代的趋势。目前在起重机上采用的交流调速方案主要有:绕线式异步电动机转子串电阻调速;能耗制动下降调速;涡流制动器调速,定子调压调速,串级调速及变频调速等。表1—1比较了这几种主要的起重机交流调速方案的优缺点并指出了各自的应用场合。
       从表1—1中可以看出,交流变频调速和其它起重机调速方案相比,具有明显的优点。首先,起重机整体性能会有很大的提高,具有速度可在整个调速范围内连续控制,开、闭环特性好,调速比可达1:100以上,调速精度±1%,调速平稳,负载突然变化时有极好的动态响应,可以长时间低速运行,使其具有极高的定位精度,节能效果显著,简化了电控系统,省去了电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接触器和电动机正反转交流接触器,再加之系统传动所用变频电机属鼠笼式异步电动机类、成本相对低廉,维修少,因此变频调速是起重机最理想的交流调速方案,具有同直流传动一样的调速性能,性能价格比最高。但在国内,交流变频调速在起重机特别是大吨位起重机上的应用还刚起步,原因是作为起重机核心机构的起升机构其位能性负载特性和使用安全性的需求使一般通用变频器在性能上不能满足要求。低频时能否达到恒转矩输出;空中是否溜钩等问题一直是起重机起升机构使用变频调速的难点,还有起升机构重载下放时其再生制动能量是消耗在制动电阻上还是回馈回电网,这些一直都给起重机使用全变频调速控制系统带来困惑。近年来,矢量控制变频器的出现给起重机能否安全使用变频调速技术带来了生机,国外、国内各大专业电气公司也都在致力于这方面的开发和研究,因此,怎样使矢量控制变频调速技术用于起重机电气传动,实现四象限运行,保证起升机构各种工况要求和良好的低速就位性能,对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代,具有非常实用的意义。
      
      表1-1 起重机常用交流调速方案
      调 速方 案 调速范围 低速运行时的效率 特 点 适用负载 驱动机构
      转子串电阻调速 1:3 低 1.线路简单、成本低、易维修2.调速性能差,无低速下降3.不能长期低速运行。 位能反抗 起升运行
      能耗制动调速 1:3~1:5 低 1.同上2.重载下降能获得低速,上升无低速3.直流电源因电机而异,无法标准 位能 起升
      涡流制动器调速 1:10 低 1.同上2.速度有低速,但不能长时间低速运行3.加大了系统GD2 位能反抗 起升运行
      定子调压调速 1:10 低 1.线路复杂、成本高2.若采用闭环控制能得到稳定低速且调速范围 较大,能无级调速 位能反抗 起升运行
      串极调速 1:10~1:30 高 1.同上2.适用于长期低速运行,重物下降时再生能量 能收回,调速范围较大,能无级调速 位能反抗 起升运行
      变极调速 1:2~1:4 高 1.一般采用鼠笼式异步电机,只能适用于小容量起重机上2.有极调速,调速范围小 位能反抗 起升运行
      变频调速 1:100 高 1.速度可在整个调速范围内连续控制2.有恒转矩性能,基频以上恒功率调速3.性能最优,但需专用变频装置,成本高 位能反抗 起升运行
      
      2.变频调速系统
      
      
      前已提到异步电动机的转速公式为:
      
      n= 60ƒ1 (1-s) (2-1)
       pn
      
      式中s —异步电动机的转差率,s=(no-n)/no。其中no为同步转速。改变异步电动机的供电频率,可以改变其同步转速,实现调速运行。
       对异步电动机进行调速控制时,通常要考虑的一个重要因素是,希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱,铁心利用不充分,同样的转子电流下,电磁转矩小,电动机的负载能力下降;磁能太强,则处于过励磁状态,使励磁电流过大,这就限制了定子电流的负载分量,负载能力也要下降。对于直流电机,励磁系统是独立的,只要对电枢反应的补偿合适,保护фm不变是很容易做到的。在交流异步电机中,气隙磁通(主磁通)是定子和转子磁动势合成产生的,怎样才能保护磁通恒定呢?下面说明之。
      由电机理论知道,三相异步电动机定子每相电动势的有效值是
       Eg=4.44ƒ1N1фm (2-2)
      式中Eg—气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值(V);
       f1—定子频率(Hz);
      N1—定子每相绕组串联匝数;
      фm—每极磁通量(Wb)。
       由式(2-2)可见,фm的值是由Eg和f1共同决定,对Eg和f1进行适当的控制,就可以使气隙磁通фm保持额定值不变,达到控制фm的目的。对此,需要考虑基频(额定频率)以下和基频以上两种情况。
      (1) 基频以下调速,为了保持电动机的负载能力,应保持气隙磁通фm不变,这就要求频率f1从额定值向下调节时,必须同时降Eg使
      Eg =常数
      ƒ
      即保持电动势与频率之比常数进行控制。这种控制又称为恒磁通变频调速,属于恒转矩调速方式。
      但是,Eg难于直接检测和直接控制。(当Eg和f1的值较高时,定子的漏阻抗压降相对比较小,如忽略不计,则可近似地保持定子相电压U1和频率f1的比值为常数,即认为U1= Eg,保持U1/ f1=常数即可)。这就是恒压频比控制方式,是近似的恒磁通控制。
      低频时,U1和Eg都较小,定子漏阻抗压降(主要是定子电阻压降)不能在忽略。这种情况下,可以人为地适当提高定子电压以补偿定子电阻压降的影响,使气隙磁通基本保持不变。如图2-1所示,其中I为U1/ f1=C时电压,频率关系,II为有电压补偿时(近似的Eg/ f1=c)的电压,频率关系。
      
      图2-1 恒压频比控制特性
       (2)基频以上调速
      在基频以上调速时,频率可以从f1N往上增上,但电压U1却不能超过额定电压UN,最多只能保持U1=U1N。由式2-2可知,这必然会使主磁通фm随着f1的上升而减小,相当于直流电动机弱磁升速的情况,属于近似的恒功率调速方式。
      把基频以下和基频以上两种情况结合起来,可得图2-2所示的异步电机变压变频调速控制特性,即异步电机变频调速的基本控制方式
      图2-2 异步电机变压变频调速控制特性
      
      根据电机学原理,在下述假定条件下:①忽略空间和时间谐波;②忽略磁饱和;③忽略铁损。异步电机在正弦波恒压恒频供电下的机械特性方程式,由下式表示:
       (2-3)
      各参数定义如下:
      R1、R2’——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻;
      L11+L12’——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感;
      U1、ω1 ——定子相电压和供电角频率;
      s ——转差率;
      pn ——极对数。
      当s很小时,可忽略上式分母中含s的各项,则
      
       (2-4)
      
      即s很小时,转矩近似与s成正比,机械特性Te=f(s)是一段直线,如图2-3所示。
      当s接近于1时,可忽略式(2-3)分母中的R2’,则
       (2-5)
      图2-3 恒压恒频异步电机的机械特性
      
      即s接近于1时转矩近似与s成反比,这时,Te=f(s)是对称于原点的一段双曲线。当s为以上两段的中间数值时,机械特性以直线段逐渐过渡到双曲线段。
      基于式(2-3),我们来推导一下异步电机变频调速的机械特性,分基频以下和基频以上两种情况。
       (一)基频以下、频率协调控制时的机械特性
      由式(2-3)的机械特性方程式可以看出,对于同一组转矩Te和转速n(或转差率s)的要求,电压U1和频率ω1可以有多种配合。在U1和ω1的不同配合下机械特性也是不一样的,因此,可以有不同方式的电压、频率协调控制。
       (1)恒压频比控制(U1/ω1=c)
      为了近似地保持气隙磁通фm不变,以便充分利用电机铁心,发挥电机产生转矩的能力,在基频以下须采用恒压频比控制。这时,同步转速自然要随频率变化。
       式中n0—同步转速(r/min)
      
      因此,带负载时的转速降落∆n为
      
       式中∆n—转速降落(r/min)
      
      在式(2-3)所表示的机械特性的近似直线段上,可以导出
      
       由此可见,当U1/ω1为恒值时,对于同一转矩Te,sω1是基本不变的,因而∆n也是基本不变的。这就是说,在恒压频比条件下改变频率时,机械特性基本上是平行下移的,如图2-4所示。它们和他励直流电机变压调速时特性的变化情况相似,所不同的是,当转矩增大到最大值以后,转速再降低,特性就折回来了。而且频率低时最大转矩越小。
      U1 /ω1 =c,最大转矩Temax随角频率ω1的变化关系为
      
       (2-6)
      图2-4 恒压频比控制时变频调速的机械特性
      
      可见Temax是随着ω1的降低而减小的。频率很低时,Temax太小,将限制调速系统的带载能力。采用定子压降补偿,适当地提高电压U1可以增强带载能力。
       (2)恒Eg/ω1控制
      图2-5给出了异步电机的稳态等效电路,图中几处感应电动势的意义如下:
      Eg—气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势;
      Es—定子全磁通的感应电动势;
      Er—转子全磁通的感应电动势(折合到定子边)。
      
      图2-5 异步电机稳态等效电路和感应电动势
      
      如果在电压、频率协调控制中,恰当地提高电压U1的份量,使它在克服定子阻抗压降以后,能维持Eg/ω1为恒值(基频以下),则由式(2-2)可知,无论频率高低,每极磁通фm均为常值,由图2-5可以得到
      
      
      将它代入电磁转矩基本关系式,得
      
       (2-7)
      这就是恒Eg/ω1时的机械特性方程式
      利用与前相似的分析方法,当s很小时,可忽略式(2-7)分母中含s2项,则有
       (2-8)
      这表明机械特性的这一段近似为一条直线。当s接近1时,可忽略式(2-7)分母中的R2’2项,则有
      
      (2-9)
      对比式(2-3)和式(2-7)可以看出,恒Eg/ω1,特性分母中含s的参数要小于恒U1/ω1特性中的同类项,也就是说,s值要更大一些才能使该项占有显著的份量,从而不能被忽略,因此恒Eg/ω1特性的线形段范围更宽。图2-6给出了不同控制方式的机械特性。
      将式(2-7)对s求导,并令dTe/ds=0,可得Eg/ω1,控制特性在最大转矩时的转差率
      
      (2-10)
      和最大转矩
     2-6 不同电压、频率协调控制方式时的机械特性
      Ⅰ-恒控制U1/ω1控制 Ⅱ-恒控制Eg/ω1控制 Ⅲ-恒控制Er/ω1控制
      可见,当Eg/ω1为恒值时,Temax恒定不变。可见恒Eg/ω1控制的稳态性能是优于恒U1/ω1控制的,它正是恒U1/ω1控制的,它正是恒U1/ω1控制中补偿定子压降所追求的目标。
       (3)恒控制Er/ω1控制
      如果把电压、频率协调控制中的电压U1进一步再提高一些,把转子漏抗上的压降也抵消掉,便得到Er/ω1控制,由图2-5可得到
      
      (2-11)
      代人电磁转矩基本关系式,得
      由于分母中没有s, 这时的机械特性Te=f(s)完全是一条直线,如图2-6所示,显然,恒Er/ω1控制的稳态性能最好,可以获得和直流电机一样的线性机械特性。这正是高性能交流变频调速所要求得性能。按照式(2-2)电动势和磁通得关系,可以看出,当频率恒定时,电动势与磁通成正比。气隙磁通的感应电动势Eg对应于气隙磁通幅值фm,那么,转子全磁通的感应电动势Er就应该对应于转子全磁通幅值фm
       Er=4.44f1N1фrm (2-12)
      由此可见,只要能够按照转子全磁通幅值фm=恒值进行控制,就可获得恒Er/ω1控制。这正是矢量控制系统的目标。
       (二)基频以上变频调速时的机械特性
      (2-13)
      在基频f1N以上变频调速时,由于电压U1=U1N不变,式(2-3)的机械特性方程式可写成
      
      
      最大转矩表达式为
      (2-14)
      同步转速仍为 ,由此可见,当角频率ω1提高时,同步转速随之提高,
      最大转矩减小,机械特性上移,如图2-7所示。由于频率提高而电压不变,气隙磁通必然减小,导致转矩的减小,但转速升高了,可以认为输出功率基本不变。所以,基频以上变频调速属于弱磁恒功率调速。
   
    图2-7 基频以上变频调速的机械特性
      
      2.2 矢量控制的基本思想
      交流电动机矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的,其基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制,使之能够象直流电机调速系统一样具有良好的动、静态性能。直流电机调速性能好的根本原因是由于其磁通和转矩能很容易通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。以他励直流电动机为例,其电磁转矩表达式如下式所示:
       Te=CmФIa (2-15)
      式中Te为电磁转矩;Cm为转矩系数;Ф为磁通;
      Ia为电枢电流。由于电枢电流Ia所产生的电枢磁
      通和励磁磁通Ф是相互垂直的,如图2-8所示,
      再加上一定的补偿以后,电枢反应对主磁场祛磁
      的实际影响是很小的。因此,可以认为,Ф和Ia
      是互不相关的独立变量,磁通Ф只与励磁电流If
      有关。如果保持If不变,即Ф不变,则Te与Ia
      成正比,调节和控制电枢电流Ia也就直接调节和
      控制了电磁转矩Te,从而使转矩控制具有良好的
      动态性能。 图2-8 直流电机磁势图
      异步电动机与直流电机不同,异步电动机的电磁转矩表达式如下式所示:
       Te=CmФIrcosφr (2-16)
      式中Ф为气隙磁通,Ir为转子电流;φr为转子电流Ir滞后转子电势的电角度;
      Cm为异步感应电动机转矩系数。由于转子阻抗角 ,异步电动机的转
      矩不仅与转子电流Ir和气隙磁通Ф有关,而且与转速(转差率s)有关,Ir和Ф两个量既不成直角,又不是两个独立变量,因此不能以简单的方法进行磁通和转矩的单独控制,因此,要在动态中准确地控制转矩显然比较困难。要解决这个问题,一种办法是从根本上上改造交流电机,改变其产生转矩的规律,迄今为止,在这方面的研究成效尚少。另一种办法是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电机控制转矩的规律,通过电机统一理论和坐标变换理论,把交流电动机的定子电流分解成磁场定向坐标的磁场电流分量和与之相垂直的坐标转矩电流分量,把固定坐标系变换为旋转坐标系解耦后,交流量的控制变为直流量的控制便等同于直流电动机。即如果在调速过程中始终维持定子电流的磁场电流分量不变,而控制转矩电流分量,它就相当于直流电机中维持励磁不变,而通过控制电枢电流来控制电机的转矩一样,能使系统具有较好的动态持性。这就是矢量控制或称矢量变换控制的基本思想。
      众所周知,对三相静止的对称绕组A、B、C通以三相正弦交流电流iA、iB、iC时,便产生转速为ω1的旋转磁场Ф。如图2-9(a)所示。然而,旋转磁场并不一定非要三相不可,两相、四相等任意对称的多相绕组,通以平衡的多相电流,都能产生旋转磁场。图2-9(b)是两相静止绕组α和β厂(空间位置相差900),通以两相平衡电流Iα和Iβ(时间上差900)时所产生的旋转磁场Ф。当图2-9(a)和2-9(b)中所示的旋转磁场的大小与转速都相同时,则两套绕组等效,再看图2-9(c)中的两个匝数相等且互相垂直的绕组M和T,分别通以直流电流iM和iT,产生位置固定的磁通Ф。如果使两个绕组同时以同步转速ω1旋转,磁通Ф自然随着旋转起来,而成为旋转磁场,并可以和图2-9(a)、(b)中的绕组等效。但如果观察者站到铁心上和绕组一起旋转时,在他看来,M、T是两个通以直流的互相垂直的静止绕组。如果取磁通Ф的位置和M绕组的平面正交,就和等效的直流电动机绕组没有差别了。这样,以产生同样的旋转磁场为准则,图2-9(a)中的三相绕组,(b)中的两相绕组和(c)中的直流绕组等效。iA、iB、iC与iα和iβ及iM、iT之间存在着确定的关系,即矢量变换关系。这样只要按照某个规律去控制三相电流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT来达到所需控制转矩的目的。
     图2-9 等效的交流电动机绕组与直流电动机绕组
      2.3变频器的基本构成
      变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直流接变换成频率、电压均可控制的交流,又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流通过整流器变成直流,然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流,又称间接式变频器。
      变频器的基本构成如图2-10所示,由主回路(包括整流器、中间直流环节、逆变器)和控制回路组成,分述如下:
      图2-10 变频器的基本构成
      (1)整流器 电网侧面的变流器I是整流器,它的作用是把三相(也可以是单相)交流整流成直流。
      (2)逆变器 负载侧面的变流器Ⅱ为逆变器。最常见的结构形式是利用六个主开关器件组成的三相桥式逆变电路。有规律的控制逆变器中主开关的通与断,可以得到任意频率的三相交流输出。
      (3)中间直流环节 由于逆变器的负载为异步电动机,属于感性负载。无论电动机处于电动或发电制动状态,其功率因数总不会为1。因此,在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件(电容器或电抗器)来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
      (4)控制电路 控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成。其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。高性能的变频器目前已经采用微型计算机进行全数字控制,采用尽可能简单的硬件电路,主要靠软件来完成各种功能。由于软件的灵活性,数字控制方式常可以完成模拟控制方式难以完成的功能。
      (5)关于变流器名称的说明 对于交-直-交变频器在不涉及能量传递方向的改变时,我们常简明地称变流器Ⅰ为整流器,变流器Ⅱ为逆变器(如图),而把图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ总起来称为变频器。实际上,对于再生能量回馈型变频器,Ⅰ、Ⅱ两个变流器均可能有两种工作状态:整流状态和逆变状态。当讨论中涉及变流器工作状态转变时,Ⅰ、Ⅱ不再简称为“整流器”和“逆变器”而称为“网侧面变流器”和“负载侧变流器”。
      
      2.4变频器的起动状态
       变频起动中,是通过控制异步电动机的定子电压和定子频率来获得所需的起动性能。根据工程的需要,一般尽量减小起动电流,这样可以减小变频器的容量。对起动时间的设定并不追求越短越好,如果保证主磁通为额定值通过恰当地设定起动时间,相当于间接地选择了起动过程中的动态转矩,可以减小起动电流和起动损耗。所以起动时常有几种情况:或起动电流最小、或起动损耗最小、或起动时间最短。另外,还要考虑避免过大的机械冲击,使起动过程缓和、平滑等。根据变频器的功能有如下几种起动方式可供选择。
       (1)限流加速 对于有转矩控制功能的变频器和矢量控制式变频器,由于具有快速的电流限制功能,即使转速指令设定成阶跃指令,变频器本身也能把电流限制在允许值以内。就是说可以用变频器的允许最大转矩,实现尽可能快的起动过程。起动中电流可以被限制在人为设定的范围以内。
       (2)限时加速 U/f控制式变频器,多数不具备积极限制电流的功能,电流冲击过大,可能造成过电流跳闸。对于阶跃式的转速设定,往往在变频器的内部将其变换成随时间线性上升的指令。为了防止过电流,常要调整起动时间,使之与生产机械相适应。以期在不出现过电流的前提下,尽量缩短起动时间,这就是起动时间设定所要遵循的一般原则。
       表2-1 变频起动的三种方式
      加速方式 控制方法 说明图 备注
      限流加速 加速中电流被抑制在固定值上,可以实现对变频装置和生产机械的过载与冲击的限制 ×加速中,电动机转矩保持恒定×矢量控制式变频器常采用该方式
      限时加速 阶跃的速度指令变换成随时间线性变化的指令,是一种加速度限制控制方式 ×加速转矩一定×U/f控制和矢量控制变频器中采用
      S形加速 在上面的基础上限制转矩的变化率,可以实现平稳起动 U/f控制和矢量控制变频器中采用
      
      (3)S形加速 S形加速的目的是使加速过程变得缓和些。为了使电梯乘员感到舒适或者使传送带所载的物品不致倒塌常采用这种S形加速方式。在起动初期和起动末了的加速度,随时间有一个渐变的过程。
      上述三种起动方式的性能与用途的比较见表2-1。
      这里说明一个问题,通用变频器中的加、减速时间设定功能所设定的时间,是指由从零频率上升到变频器最高频率和从变频器最高频率下降到零频率的时间。加速时间设定的约束是将电流限制在过电流容量之内,不应使过电流保护动作;减速时间设定约束是防止直流回路(滤波电容器)电压过高,不应使过电压保护动作。
      
      2.5变频器的制动状态
       在变频器、异步电动机和机械负载所组成的变频调速传动系统中,当电动机减速或者所拖动的位能负载下放时,异步电动机将处于再生发电制动状态。传动系统中所储存的机械能经异步电动机转换成电能。逆变器的六个回馈二极管将这种电能回馈到直流侧。此时的逆变器处于整流状态。如果在标准型的变频器中(网侧变流器为不控的二极管整流桥)不采取另外的措施,这部分能量将导致中间回路的储电电容器的电压上升。如果电动机的制动并不太快,电容器电压升高的值并不十分明显,一旦电动机恢复到电动状态,这部分能量又被负载所重新利用。电容器电压升高过大,装置中的“制动过电压保护”将动作,保护变频装置的安全,所以当制动过快或机械负载为提升机时,这部分再生能量的处理问题就应认真对待了。
      在变频器中,对再生能量的处理方式有三种:1)耗散到直流回路中人为设置的与电容器并联的“制动电阻”中,变频器通过制动单元(分外置、内置两种)将再生制动能量消耗在制动电阻上;2)由并联在直流回路上的其他传动系统吸收;3)使之回馈到电网。如果属于前两种工作状态,称为动力制动状态;如果属于后一种工作状态,则称为再生制动状态。应该注意,这是从整个系统角度视再生电能是否能回馈到交流电网而定义的两种工作状态。在这两种状态下,异步电动机自身均处于再生发电制动状态。
      
      3. 变频器的应用
      3.1 变频器容量的计算
      (1) 连续运转时所需的变频器容量的计算式
       (3-1)
       (3-2)
       (3-3)
      式中PM──负载所要求的电动机的轴输出功率;
       η──电动机的效率(通常约0.85);
       cos*──电动机的功率因素(通常约0.75);
       UM──电动机电压(V);
       IM──电动机电流(A),工频电源时的电流;
       k── 电流波形的修正系数(PWM方式取1.05~1.0);
       PcN──变频器的额定容量(kVA);
      IcN──变频器的额定电流(A);
      
       (2)一台变频器传动多台电动机并联运行,即成组传动时,变频器容量的计算。当变频器短时过载能力为150%,1min时,如果电动机加速时间在1min以内
      
      即 (3-4)
       (3-5)
       当电动机加速时间在1min以上时,
       (3-6)
       (3-7)
      式中PM──负载所要求的电动机的轴输出功率;
       nT──并联电动机的台数;
       ns──同时启动的台数;
       η──电动机效率(通常约0.85);
       cos*──电动机功率因素(通常约0.75);
       PCN1──连续容量(kVA),PCN1=kPMnT/ηcosφ
      KS──(电动机启动电流)/(电动机额定电流);
      IM──电动机额定电流(A)
      k──电流波形的修正系数(PWM方式取1.05~1.10);
      PCN──变频器容量(kVA)
      IcN──变频器额定电流。
      (3) 大惯性负载起动时变频器容量的计算
       (3-8)
      式中GD2──换算到电动机轴上的总GD2(N·M2);
       TL──负载转矩(N·m);
       h──电动机效率(通常约0.85)
       cosj──电动机功率因数(通常约0.75)
       xA──电动机加速时间(s),根据负载要求确定;
       k──电流波形的修正系数(PWM方式取1.05~1.10);
       nM──电动机额定转速(r/min);
       PCN──变频器容量(kVA)。
      变频器与异步电动机组成不同的调速系统时,变频器容量的计算方法也不同。本小节第(1)所列,适用于单台变频器为单台电动机供电连续运行的情况。式(3-1)、式(3-2)和式(3-3)三者是统一的,选择变频器容量时应同时满足三个算式的关系。尤其变频器电流是一个较关键的量。本小节第(2)所列,适用于一台变频器为多台并联电动机供电且各电动机不同时起动的情况。选择逆变器容量,无论电动机加速时间在1min以内或以上,都应同时满足容量计算式和电流计算式。本小节第(3) 所列,是针对大惯量负载的情况,例如吊车的平移机构、离心式分离机、离心式铸造机等,负载折算到电动机轴上的等效GD2比电动机转子的GD2大得很多。这种情况下则应按式(3-8)选择变频器的容量。
      
      3.2 变频器的外围设备及其选择
      变频器的运行离不开某些外围设备。这些外围设备通常都是选购件。选用外围设备常是为了下述目的:a. 提高变频器的某种性能;b..变频器和电动机的保护;c. 减小变频器对其他设备的影响等。
      (1) 变频器外围设备的种类与用途 变频器的外围设备如图3-1所示。
      下面分别说明用途与注意事项等。
      
      图3-1 变频器的外围设备
      1— 电源变压器T 2—电源侧断路器QF 3—电磁接触器1KM
       4—无线电噪声滤波器FIL 5—电源侧交流电抗器1ACL
       6—制动电阻R 7—电动机侧电磁接触器2KM
       8—工频电网切换用接触器3KM 9—电动机侧交流电抗器2ACL
      
      a. 电源变压器T: 电源变压器用于将高压电源变换到通用变频器所需的电压等级,例如220V量级或400V量级等。变频器的输入电流含有一定量的高次谐波,使电源侧的功率因数降低,若再考虑变频器的运行效率,则变压器的容量常按下式考虑:
      变压器的容量(KVA)=
      其中变频器功率因数在有输入交流电抗器1ACL时取0.8—0.85,无输入电抗器1ACL时则取0.6-0.8。变频器效率可取0.95,变频器输出功率应为所接电动机的总功率。
      变频器生产厂家所推荐的变压器容量的参考值,常取变频器容量的130%左右。
      b. 电源侧断路器QF 用于电源回路的开闭,并且在出现过流或短路事故时自动切断电源,以防事故扩大。如果需要进行接地保护,也可以采用漏电保护式断路器。使用变频器无例外地都应采用QF。
      c. 电磁接触器1KM 用于电源的开闭,在变频保护功能起作用时,切断电源。对于电网停电后的复电,可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全。
      d. 无线电噪声滤波器FIL 用于限制变频器因高次谐波对外界的干扰,可酌情选用。
      e. 交流电抗器1ACL和2ACL 1ACL用于抑制变频器输入侧的谐波电流,改善功率因数。选用与否视电源变压器与变频器容量的匹配情况及电网电压允许的畸变程度而定。一般情况以采用为好。2ACL用于改善变频器输出电流的波形,减低电动机的噪声。
      d. 制动电阻单元R 用于吸收电动机再生制动的再生电能。可以缩短大惯量负载的自由停车时间。还可以在位能负载下放时,实现再生运行。
      e. 电磁接触器2KM和3KM 用于变频器和工频电网之间的切换运行。在这种方式下2KM是必不可少的,它和3KM之间的联锁可以防止变频器的输出端接到工频电网上。一旦出现就频器输出端误接到工频电网的情况,将损坏变频器。如果不需要变频器——工频电网的切换功能,可以不要2KM。注意,有些机种要求2KM只能在电动机和变频器停机状态下进行开闭。
      
      (2) 制动电阻的计算 在异步电动机因设定频率下降而减速时,如果轴转速高于由频率所决定的同步转速,则异步电动机处于再生发电运行状态。运动系统中所荐储的动能经逆变器回馈到直流侧,中间直流回路的滤波电容器的电压会因吸收这部分回馈能量而提高。如果回馈能量较大,则有可能使变频器的过压保护功能动作。利用制动电阻可以耗散这部分能量,使电动机的制动能力提高。制动电阻的选择,包括制动电阻的阻值及其容量的计算,可按如下步骤进行。
      a. 制动转矩的计算 制动转矩TB可由下式算出:
       TB= (N×m) (3-9)
      
      式中 GD2M——电动机的GD2(N×m2);
       GD2L ——负载折算到电动机轴上的GD2(N×m2);
       TL ——负载转矩(N×m);
       n1——减速开始速度(r/min);
       n2——减速完了速度(r/min);
       ts——减速时间(S)。
      b. 制动电阻阻值的计算 在附加制动电阻进行制动的情况下,电动机内部的有功损耗部分,折合制动转矩,大约为电动机额定转矩的20%。考虑到这一点,可用下式计算制动电阻的值
       RBO= (Ω) (3-10)
       式中 UC——直流回路电压(V);
       TB——制动转矩(N×m);
       TM——电动机额定转矩;
       n1——开始减速时的速度。
       如果系统所需制动转矩TB〈0.2TM,即制动转矩在额定转矩的20%以下时,则不需要另外的制动电阻,仅电动机内部的有功损耗的作用,就可使中间直流回路电压限制在过压保护的动作水平以下。
       由制动晶体管和制动电阻构成的放电回路中,其最大电流受制动晶体管的最大允许电流IC的限制。制动电阻的最小允许值Rmin(Ω)为
       Rmin= (3-11)
       式中 UC——直流回路电压(V)。
       因此,选用的制动电阻RB应按
       Rmin<RB<RBO (3-12)
       的关系来决定。
       c. 制动时平均消耗功率的计算 如前所述,制动中电动机自身损耗的功率相当于20%额定值的制动转矩,因此制动电阻器上消耗的平均功率Pro(KW)可以求出:
       Pro=1.047(Tb-0.2TM) (KW) (3-13)
       d. 电阻器额定功率的计算 视电动机是否重复减速,制动电阻器额定功率的选择是不同的。图3-2所示为电动机减速模式。当非重复减速时,如图3-2b所示,制动电阻的间歇时间(T-ts)>600s。通常采用连续工作制电阻器,当间歇制动时,电阻器的允许功率将增加。允许功率增加系数m和制动电阻使用率D=ts/T之间的关系曲线如图3-2a所示。D=ts/T,意义见图3-2a 。
      图3-2 减速模式
      a)重复减速 b)非重复减速
      
       根据电动机运行的模式,可以确定制动时的平均消耗功率和电阻器的允许功
      率增加系数,据此可以求出制动电阻器的额定功率Pr
       Pr= (KW) (3-14)
       根据如上计算得到的RBO和Pr,可在市场上选择合乎要求的标准电阻器。
      
      3.3 日本安川公司616G5变频器简介
      1. 变频器的基本构成与功能
      1) 主回路
      给异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分称为主回路
       a.整流器
      把工频电源变换为直流电源,电功率的传送不可逆
       b.滤波器
      在整流器整流后的直流电压中,含有脉动电压,此外,逆变器回路产生的脉动电流也使直流电抗器和电容器吸收脉动电(电流)。
       c.逆变器
      逆器的作用是在所确定的时间里有规则地使六个功率开关器件导通、关断,从而将直流功率变换为所需电压和频率的交流输出功率。
       d.制动单元
      异步电机在再生制动区域运行时,再生能量首先储存于储能电力电容器中,使直流电压升高。对起重机机械系统惯量所积蓄的能量比电容器能储存的能量大,并且需要快速制动,必须用可逆变流器把再生能量反馈到电网侧,这样节能效果更好,或设置制动单元,把多余再生功率消耗掉,以免直流回路电压的上升超过限值。
      2) 控制回路
      a. 将外部的转速、转矩等指令同检测回路的电流、电压信号进行比较运算,决定变频器的输出电压、频率。
      b.电压/电流检测回路
       检测主回路电压、电流等
      c.驱动回路
       驱动主回路功率开关器件,使之导通、关断。
      d.转速检测回路
      检测速度信号送入运算回路
      3) 保护回路
      保护回路可分为变频器保护和异步电机的保护
      2,变频器的保护
      (1) 瞬时过电流保护
       由于变频器负载侧短路等原因,流过变频器元件的电流达到异常值时,立即停止工作。
      (2) 过载保护
       变频器电流超过一定值,且连续流通超过规定时间,停止工作。
      (3) 再生过电压保护
       采用变频器使电动机快速减速时,由于再生功率引起直流电路电压升高超过允许值时,停止运行。
      (4) 瞬时掉电保护
      (5) 对地过电流保护
      (6) 冷却风机异常
      
      异步电机的保护
      (1) 过载保护
      (2) 超速保护
       变频器的输出频率或者变频电动机的速度超过规定值时,停止变频器运行。
      
      4,安川变频器结构形式
      1) 整流器:AC→DC二极管整流2UO=Ed
      2) 充电限流电阻R:抑制di/dt
      3) 旁路接触器MC:线圈控制过程,电压检测方式80%EdN
      4) 滤波电容C:滤波、储能、抑制电压突变(瞬停保护)
      5) F快速熔断器:保护IGBT以防故障进一步扩展。
      6) AC、CT1、DC、CT2:电流互感器,因DC中电注含有较高谐波分量,AC电流是变频f变化,且不是规范的50HZ正弦波,因此备件定货时,一定采用同类产品。
      7) 主功率器件IGBT:检查方法,器件更换时,型号、导热胶、三菱(CM)、东芝、富士电压等级(CM400HA-24GCM300HA-12G)
      8) 浪涌尖峰噪声吸收模块(R、C、D)开关速度过快(频率过高)
      9) 充电指示灯:DC27V以上
      10)冷却风机检测、温度检测、MC辅助触点检测。
      11)PG及PG卡:600P/R,A相、B相脉冲。
      12)驱动板,供电电源由Upn提供并向主控板手持编程器提供门极驱动板与主回路相关联,因此易损坏。
      13)通讯卡(P-2161/F)安全、可靠、速度快。
      14)制动单元及制动电阻,制动单元电压跳线器设置考虑,制动电阻温升阻值。
      15)手持全数字编程器
      
       2.维修注意事项
      1) 所有维修工作必须在输入侧断路器OFF,且充电指示灯灭后进行。
      2) IGBT门极开路条件下,不允许主回路通电。
      3) 所有电解电容(包括主控板、驱动板)冷却风机,应按照使用说明书。
      4) 由于INV载波频率高,空间电场强,应定期对主控板、驱动板除尘。
      5) RTG行走震动大,应定期紧固螺丝。
      6) 在空载条件下,对5档速度下的电流、电压、频率,在加速、恒速、减速制动时进行记录。定期检查,维修后进行比较,若偏差>20%,则应查找原因或同安川公司联系。参数监测可用手操器或机上表头。
      
      4.端子说明
      
     5,控制模式(四种)
      
      控制模式 V/f控制 带PG V/f控制 开环矢量控制 闭环矢量控制
      控制模式 电压/频率控制 电压/频率控制带速度补尝 电流矢量不带PG控制 电流矢量带PG控制
      速度检出器 不要 要(PG) 不要 要(PG)
      速度检出器Option 不要 PG-A2,PG-D2 不要 PG-B2,PG-X2
      速度控制范围 1:40 1:40 1:100 1:1000
      启动转矩 150%/3HZ 150%/3HZ 150%/1HZ 150%/0r/min
      速度控制精度 ±2%~±3% ±0.03% ±0.2% ±0.02%
      转矩控制 不可 不可 不可 可以
      适用用途 同时驱动多台电机,电机参数不知道,不能进行自学习 简易速度反馈控制机械侧已安装PG 需多种调速的场合 简易伺服驱动,高精度速度控制,力矩控制
      主要参数设置说明
      An环境参数
      A1-00语言选择:0:英语 1:日本语 2:德语 3:法语
      A1-01访问等级:2:QUICK-START 3:BASIC 4:ADVANCED
      A1-02控制模式:0:无PG V/f控制 1:有PG V/f控制
       2:无PG 矢量控制 3:有PG 矢量控制
      A1-03初始化: 回到出厂时设定
      bn应用参数
      b1-01(0-4)频率指令输入方法
      0:数字操作器 1:模拟量端子
      2:MEMOBUS传送(S1-K2)与GEPLC以及其他厂家PLC
      3:选择卡(CP-216)
      4:MEMOBUS传送(CP-717专用)
      b1-02(0-4)运行指令输入方法选择
      0:数字操作器 1:模拟量端子
      2:MEMOBUS传送(S1-K2)与GEPLC以及其他厂家PLC
      3:选择卡(CP-216)
      4:MEMOBUS传送
      b1-03(0-4)停止方式选择
      0:减速停车 1:自由滑车
      2;DC制动 3:带计时器停车
      b1-04(0-4)反转选择
      0:可以反转 1:不能反转
      Cn调整参数
      C1-01加速时间1 C1-02减速时间1
      C1-03加速时间2 C1-04减速时间2
      C1-05加速时间3 C1-06减速时间3
      C1-07加速时间4 C1-08减速时间4
      C1-09快速停车时间 C1-10加减速时间单位(0-1)
      0:0.01秒 1:0.1秒
      C2-01~C2-04 S曲线
      
      dn指令参数
      d1-01~d1-08:速度选择
      d1-01频率指令1 d1-02频率指令2
      d1-03频率指令3 d1-04频率指令4
      d1-05频率指令5 d1-06频率指令6
      d1-07频率指令7 d1-08频率指令8
      d1-09点动频率
      d2-01~d2-02:输出频率上/下限
      d2-01输出频率上限
      d2-02输出频率下限
      En电机参数
      E1-01~E1-13:电机额定参数
      E1-01 input voltage E1-02 motor selection
      E1-03 V/f election E1-04 max frequency
      E1-05 max voltage E1-06 base frequence
      E1-07 mid frequency A E1-08 mid voltage A
      E1-09 mid frequency E1-10 min voltage
      E1-11 mid frequency B E1-12 mid voltage
      E1-13 base voltage
      E2-01~E2-10电机动态参数
      E2-01 motor rated current
      E2-02 motor rated slip
      E2-03 motor no-load current
      E2-04 number of motor poles
      E2-05 motor line-to –line resistance
      E2-06 motor leak inductance
      E2-07 motor iron-core saturatio coefficient 1
      E2-08 motor iron-core saturatio coefficient 2
      E2-09 motor mechanical loss
      E2-10 motor iron-core loss
      Fn任选功能参数
      F1-01~F1-12 PG速度卡参数
      F1-01 PG constant 600P/R
      F1-02 operation selection at PG open circuit(0-3)
      0:减速停止 1:自由滑行停止
      2:非常停止 3:继续运行
      F1-03 opertion selection at over speed
      0:减速停止 1:自由滑行停止
      2:非常停止 3:继续运行
      F1-04 operation selection at deviation
      0:减速停止 1:自由滑行停止
      2:非常停止 3:继续运行
      F1-05 PG rotation
      0:电机正转时A相超前
      1:电机正转时B相超前
      F1-06 PG division rate
      F1-07 integral &#118alue durning accel/decel enable /disable
      0:无效
      1:有效
      F1-08 overspeed detection lever
      F1-09 overspeed detection delay time
      F1-10 excessive speed deviation detection lever
      F1-11 excessive speed deviation detection delay time
      F1-12 PG open-cir-detection time
      F2模拟量指令卡
      Hn.多功能端子定义参数
      H1-01~H1-06(3-8端子)
      设定范围0-77
      H2-01~H2-03(设定范围0-37)
      H2-01(9-10端子)
      H2-02(25-27端子)
      H2-03(26-27端子)
      H3-01~H3-12模拟量输入端子定义
      Ln.保护参数
      L1-01~L1-02过载保护
      L1-01 motor protection selection(0-1)
      0:电子热保护无效
      1:电子热保护有效
      L2-01~L2-06瞬间掉电保护过载保护
      L6-01~L6-06过转矩检测
      L7-01~L7-04转矩限制
      Un 监视参数
      U1-01~U1-38状态监视
      U1-01频率指令 U1-02输出频率
      U1-03输出电流 U1-04控制方式
      U1-05电机速度 U1-06输出电压指令
      U1-07主回路直流电压
      U2-01~U2-14故障监视
      U2-01现在发生的故障
      U2-0 2过去故障
      U2-03故障时频率指令
      U2-04故障时输出频率
      U2-05故障时的输出电流
      U2-06故障时的电机速度
      U2-07故障时输出电压指令
      U2-08故障时主回路直流电压
      U2-09故障时输出功率
      U2-10故障时力矩指令
      U2-11故障时输入端子运行状态
      U2-12故障时输出端子状态
      U2-13故障时运行状态
      U2-14故障时累计运行时间
      U3-01~U3-08故障记录
      U3-01前一次故障内容
      U3-02前二次故障内容
      U3-03前三次故障内容
      U3-04前四次故障内容
      U3-05前一次故障发生到现在累计时间
      U3-06前二次故障发生到现在累计时间
      U3-07前三次故障发生到现在累计时间
      U3-08前四次故障发生到现在累计时间
      7.常见故障分析及处理
      A.Fault(故障)
      OC(overcurrent)短路接地、加/减速时间过短、超载、电机绝缘不良、PG异常。
      GF(ground fault)INV输出接地、电机坏
      PUF(fuse open)快熔断
      SC(short circuit)INV 输出断路、MOTOR接地
      UV1(DE bus undervoltage)掉电、输入缺相、松动、电压波动过大
      UV2(control power fault)控制电源掉电
      PF(input phase loss)输入缺相、松动
      PGO(PG open)脉冲编码器断线或接线不正确
      报出上述故障时,应检查PG、主回路器件。此时输入空开OFF,INV输出开路,将MOTOR脱开。
      B.Minor fault(故障警告)
      OV(DC over voltage)加/减速时间太短,制动电阻功率太小,电阻发热UV(欠电压)
      OL1(motor overload)加/减速时间太短
      OL2(inverter overload)加/减速时间太短,容量偏小
      OL3(overtorque det1)过转矩
      
      6,变频调速技术在港口起重机上的应用特点
      近几年来, 随着港口运输事业的发展, 港口起重机开始向大型化、专业化方向发展, 这就要求现代港口起重机在电气传动控制其调速性能要求比一般港口起重机高, 以保证在进行集装箱作业时平稳、可靠, 有良好的低速就位性能. 但目前在国内该产品电气传动控制除直流传动外, 在交流传动上仍多以采用常规的转子串电阻调速, 辅之以涡流制动器等调速控制, 即使采用变频调速控制, 也只是用在小车、大车、变幅或回转机构上. 直流传动由于直流电动机具有机械式换向器这一致命弱点, 从而给直流传动的应用带来了一系列的限制, 近年来, 由于变频技术的飞跃发展, 特别是矢量控制技术和直接转矩控制技术的应用, 变频技术日趋成熟, 以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首. 其调速性能完全可以和直流传动相媲美, 并有取代之趋势.
       对于这类港口起重机, 其核心机构是起升机构, 在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:
      (1) 低频时能保证恒转矩输出,以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;
      (2) 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;
      (3) 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放.
      (4) 实现恒转矩调速和恒功率调速, 轻、空载起升速度提高一倍。
      
      对于上述问题,我们在设计和实际应用调试中是这样解决的:
      (1)以日本安川公司VS616G5A变频器为例,该变频器具有四种控制模式,第一种为开环V/f控制方式;第二种为闭环V/f控制方式;第三种为开环矢量控制方式;第四种为闭环矢量控制方式。我们选用第四种控制模式,闭环控制的速度反馈采用增量式脉冲编码器,系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性,即使在0Hz电机也能以150%额定转矩输出,以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象。
      
      (2)起升机构有机械制动器,当变频器作为调速手段时,在起升机构上升或下降以及在空中停止的瞬间,机械制动回路与变频器加、减速时间的匹配是一个非常关键的方面;在工作过程中,既要防止溜钩现象的产生,又必须防止由于时间匹配不当而引起松闸太慢或抱闸太快现象。若匹配不当可能引起电机的堵转导致变频器保护跳闸,致使工作中断。在实际应用中,我们通过在启动时控制起升制动器延时松闸,停止时控制变频器零速信号进行抱闸能较好的控制溜钩现象。
      
      (3)对再生制动能量的处理方式有两种, 一种是用制动单元和制动电阻来吸收, 另一种是通过在直流侧设置公共母线的逆变桥使之回馈到电网. 采用能耗电阻的方式,在制动单元和制动电阻的选择上应考虑到起升机构属位能性负载特性,不能按制造厂商推荐使用的制动单元和制动电阻的容量,必须增加制动单元和制动电阻的容量,电阻的阻值决定着制动电流,也就是决定着制动时间的长短,在起重机变频调速系统中长时间的制动转矩特性决定需要考虑的并不是它的阻值,而是它的功率,即在设计中把制动电阻的功率增加了一倍,保证再生制动能量迅速释放。
      采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式, 使系统电路形式简洁、紧凑。 再生制动能量采用回馈到电网的方式, 这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收.另外, 当任意两个以上的机构同时运行时, 若某一机构传动电机处于再生制动状态时, 其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电机, 可大大提高能量的再生利用率。但采用再生制动能量回馈方式价格较贵。
      系统由一个整流/回馈单元加多个逆变器组成, 逆变器的数量取决于整个电气传动系统所需的逆变器个数, 整流/回馈单元为各逆变器提供公共直流母线(COMMON DC BUS), 它除了设有整流桥外还设有逆变桥, 当电机处于减速或重载下放工况使直流母线电压升高时, 其逆变桥开始工作并将再生制动能量回馈至电网, 从而使系统实现四象限可逆运行。
      
      (4) 50Hz以下实现恒转矩调速, 空钩或只带吊具时可运行在50Hz以上, 速度提高一倍,实现恒功率调速, 若PLC与变频器控制为通讯方式,起升速度控制可随载荷自动升速或降速。PLC检测吊重起动时的电流值进行控制,也可通过超负荷限制器的重量信号来控制恒功率升速,提高生产率。
      
     门座起重机多电机传动系统
       结论:
      变频调速技术在港口起重机电气传动上的应用具有以下特点:
      (1) 变频系统与直流传动方案相比, 可以不用制造复杂、价格昂贵、维护麻烦的直流电动机, 而选用方便, 节能, 经济的交流电动机.
      (2) 变频系统与常规电气控制方案相比, 省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器.
      (3) 电机加减速时间可调整,可实现系统的软启动,软停止,速度变化平滑,运行平稳,低速性能稳定.
      (4) 能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求;可以长时期低速运行;能有效的防止重载空中溜钩现象.
      (5) 采用矢量控制闭环方式,0Hz时起升电机也能以额定转矩输出. 实现零速抱闸,可以全速受控,减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损.
      (6) 无需采用机械变速装置,利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩及轻载工况的起升速度提高一倍,类似于直流电机的弱磁升速方式,可大大提高生产率.
      (7) 配用PLC后,控制柜体积大为减少,元件少,若和变频器之间采用通信方式,则无需使用PLC I/O接口及变频器输入端子.
      7, 负载的类型及运行特点(变频器出现后的恒功率)
      生产机械运行时常用转矩表示其负载的大小。在电力拖动系统中,存在着两个主要转矩,一个是生产机械的负载转矩 ,一个是电动机的电磁转矩 。这两个转矩与转速之间的关系分别叫做负载的机械特性 和电动机的机械特性 。由于电动机和生产机械是紧密相连的,它们的机械特性必须适当配合,才能得到良好的工作状态。因此为了满足生产工艺过程的要求,正确选配电力拖动系统,除了研究电动机的机械特性外,还需要了解负载的机械特性。
      1,1负载的机械特性
      生产机械的负载转矩 ,大部分情况下与电动机的电磁转矩 方向相反。不同负载的机械特性是不一样的,可以将其归纳以下几种类型。
      (1),恒转矩负载
      恒转矩负载是指那些负载转矩的大小,仅仅取决于负载的轻重,而和转速大小无关的负载。带式输送机是恒转矩负载的典型例子之一,其基本结构和工作情况如图1—14a所示。
       见图1—14a,负载阻转矩 的大小决定于:
      
      式中F——皮带与滚筒间的摩擦阻力
      r——滚筒的半径。
      
      这种负载的基本特点是:
      1.转矩特点
      由于F和r都和转速的快慢无关所以在调节转速 的过程中,负载的阻转矩
       保持不变,即具有恒转矩的特点:
       =常数
      其机械特性曲线如图1—14b所示。
      必须注意:这里所说的转矩大小的是否变化,是相对于转速变化而言的,不能和负载轻重变化时,转矩大小的变化相混淆。或者说,“恒转矩”负载的特点是:负载转矩的大小,仅仅取决于负载的轻重,而和转速大小无关。拿带式输送机来说,当传输带上的物品较多时,不论转速有多大,负载转矩都较大;而当传输带上的物品较少时,也不论转速有多大,负载转矩都较小。
      2.功率特点
      根据负载的机械功率 和转矩 、转速 之间的关系,有:
       (1-16)
      即,负载功率与转速成正比,其负载功率线如图1—14c所示。
      (2)恒功率负载
      恒功率负载是指负载转矩 的大小与转速n成反比,而其功率基本维持不变的负载。各种薄膜的卷取机械是恒功率负载的典型例子之一,如图1—15a所示。其工作特点如下:
      同样需要说明的是:这里所说的恒功率,是指在转速变化过程中,功率基本不变,不能
      
      1.功率特点
      薄膜在卷取过程中,要求被卷物的张力F必须保持恒定,其基本手段是使线
      速度v保持恒定。所以,在不同的转速下,负载的功率基本恒定:
       = =常数
       即,负载功率的大小与转速的高低无关,其功率特性曲线如图1—15c所示。
      和负载轻重的变化相混淆。就卷取机械而言,当被卷物体的材质不同时,所要求的张力和线速度是不一样的,其卷取功率的大小也就不相等。
      
      2.转矩特点
      负载阻转矩的大小决定于:
      式中 F——卷取物的张力;
       r——卷取物的卷取半径。
      十分明显的是,随着卷取物不断地卷绕到卷取辊上,卷取半径r将越来越大,负载转矩也随之增大。另一方面,由于要求线速度v保持恒定,故随着卷取半径r的不断增大,转速 必将不断减小。
      根据负载的机械功率 。和转矩 转速 之间的关系,有:
      
      即,负载阻转矩的大小与转速成反比,如图1—15b所示
      (3)二次方律负载
      二次方律负载是指转矩与速度的二次方成正比例变化的负载,例如风扇、风机、螺旋桨等机械的负载转矩,如图1-16所示。在低速事由于流体的流速低,所以负载转矩很小,随着电动机转速的增加,流速增快,负载转矩和功率也越来越大,负载转矩 和功率 可用下式表示:
      
      
      式中 、 ——分别为电动机轴上的转矩损耗和功率损耗;
       、 ——分别为二次方律负载的转矩常数和功率常数。
      二次方律负载的机械特性和功率特性如图1—16b、c所示。
   
   
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