變頻調(diào)速技術(shù)及其在升船機(jī)上的應(yīng)用

直流電機(jī)的較好調(diào)速特性和力矩特性，是調(diào)速控制的主要方式，在上世紀(jì)90年代以前它在電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中一直處于統(tǒng)治地位。因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高，并且不適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展在一定程度上受到了限制。交流電機(jī)、特別是異步電機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行可靠、價(jià)格便宜也適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等一系列的優(yōu)點(diǎn)，在調(diào)速系統(tǒng)中卻很少應(yīng)用，至到可控硅元件問(wèn)世后，異步電動(dòng)機(jī)才在調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

由于異步電機(jī)的調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，近年來(lái)各個(gè)行業(yè)的電機(jī)調(diào)速都采用變頻調(diào)速，升船機(jī)也是其中的一種，這種系統(tǒng)具有顯著的可靠性、節(jié)能、省時(shí)的效果，本文在介紹變頻技術(shù)的同時(shí)，介紹了該技術(shù)在升船機(jī)系統(tǒng)大功率異步電機(jī)上的應(yīng)用。

1 變頻調(diào)速的原理及其優(yōu)點(diǎn)

1.1 變頻調(diào)速的原理 變頻調(diào)速以交流電作為工作電源，通過(guò)變頻控制，把固定電壓、頻率的交流電，變換為可調(diào)壓、調(diào)頻的交流電，進(jìn)而對(duì)交流異步電機(jī)提供交流工作電源。其基本原理為：n=60f(1-s)/p

式中：n為異步電機(jī)轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，P為磁極對(duì)數(shù)。由此可見(jiàn)，改變電源頻率即可改變異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

同時(shí)，因頻率的下降會(huì)導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵(lì)磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵芯和線圈過(guò)熱。這顯然不允許的。因此，要在降頻的同時(shí)還要降壓。這就要求頻率與電壓協(xié)調(diào)控制。另外，在許多情況下，為了保持在調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩不變，也需要維持磁通不變，這也需要由頻率和電壓協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，故稱(chēng)為變壓變頻調(diào)速(VVVF)，簡(jiǎn)稱(chēng)變頻調(diào)速。

根據(jù)異步電機(jī)的控制方式不同，變壓變頻調(diào)速可分為：恒定壓頻控制調(diào)速、矢量控制變頻調(diào)速、直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速等。

1.2 變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn) 變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)性能，具有調(diào)速平滑性好、機(jī)械特性較硬、調(diào)節(jié)廣度較大，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速便捷，其調(diào)速特性與直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速和勵(lì)磁調(diào)速十分類(lèi)似，并且可以與直流調(diào)速相媲美，甚至超過(guò)直流調(diào)速。

2 變頻調(diào)速器的分類(lèi)

2.1 從變頻器的主電路形式上劃分，可分為交-直-交型變頻器和交-交型變頻器。其中，交-直-交型變頻器工作原理為：首先通過(guò)整流器將電網(wǎng)電源變換為直流電，再由逆變器將直流電變換成頻率和幅值均能調(diào)節(jié)的交流電。與交-交型變頻器相比，無(wú)論從幅值及頻率的調(diào)節(jié)寬度，以及調(diào)節(jié)平滑性上，都具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。升船機(jī)上采用的變頻器即為交-直-交型。

2.2 從交流電源的性質(zhì)上，變頻器又可分為電壓變頻器(圖1)和電流變頻器(圖2)兩種。其主要區(qū)別，在于中間直流環(huán)節(jié)采用了何種形式的濾波器。

其中：電壓變頻器節(jié)采用大電容濾波，其優(yōu)點(diǎn)是直流電壓波形較平直，使施加于負(fù)載上的電壓值基本上不受負(fù)載的影響基本保持恒定，所以運(yùn)行時(shí)幾乎不受負(fù)載的功率影響，而缺點(diǎn)是負(fù)載出現(xiàn)短路或變頻器運(yùn)行狀態(tài)下投入負(fù)載，易出現(xiàn)過(guò)電流，必須在極短時(shí)間內(nèi)施加保護(hù)措施。

電流型變頻器的中間直流環(huán)節(jié)所采用的是大電感濾波，直流電流的波形比較平直，使施加在負(fù)載上的電流值穩(wěn)定不變，基本上不受負(fù)載的影響，其特性與電流源相似，故稱(chēng)為電流型變頻器。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流或直流斬波，通過(guò)改變直流電壓來(lái)控制直流電流，從而構(gòu)成可調(diào)的直流電源來(lái)達(dá)到控制輸出的目的。電流型變頻型由于電流的可控性較好，可限制因逆變裝置換流失敗或負(fù)載短路引起的過(guò)流，保護(hù)的可靠性較高，因此用在頻繁加減速的場(chǎng)合多一些。

3 變壓變頻協(xié)調(diào)控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電機(jī)電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，需考慮基頻f1(基本頻率)以下和基頻以上兩種情況?；l在多數(shù)情況下等于額定頻率fN?；l是變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線，基頻以下一般采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上通常采用恒功率調(diào)速。

3.1 基頻f1以下調(diào)速控制 在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，維持一定調(diào)速范圍內(nèi)磁通恒定。通過(guò)控制電機(jī)的電流恒定，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩恒定，這種控制方式稱(chēng)為恒轉(zhuǎn)矩控制(即電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力);其控制的重點(diǎn)，在于維持一定調(diào)速范圍內(nèi)的磁通恒定。

3.1.1 恒定壓頻比(U1/f1)控制 恒定U1/f1控制是異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的最基本控制方式，在控制電動(dòng)機(jī)的電源頻率變化的同時(shí)還控制變頻器的輸出電壓，使U1/f1為恒定，從而使電動(dòng)機(jī)的磁通基本保持恒定。

恒定U1/f1控制的基本模型是電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而，其控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時(shí)才符合要求。例如在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)電阻r1和定子漏電抗x1的壓降較小，基本可以忽略不計(jì)。在這種情況下，電機(jī)定子電壓U1與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Eg近似相等。恒定U1/f1控制最容易實(shí)現(xiàn)，也能滿(mǎn)足一般的調(diào)速要求，并且，其最突出的優(yōu)點(diǎn)就是可以進(jìn)行電機(jī)的開(kāi)環(huán)速度控制。 　　但是，恒定U1/f1控制在低速運(yùn)行狀態(tài)下性能較差，這是因?yàn)榈退贍顟B(tài)下，異步電動(dòng)機(jī)定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，電機(jī)U1≈Eg的條件已不滿(mǎn)足;從而按U1/f1控制已不能保持電機(jī)磁通恒定。結(jié)果造成電機(jī)磁通減小，電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的的減小。因此，在低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，要適當(dāng)加大U1/f1的值，以補(bǔ)償定子壓降。

3.1.2 恒定氣隙磁通ΦM控制 異步電機(jī)定子的感應(yīng)電勢(shì)：Eg=4.44f1N1KN1ΦM

從以上公式可知，如果要保持磁通量ΦM不變，當(dāng)頻率f1變化時(shí)，必須改變電動(dòng)勢(shì)Eg的大小，使Eg/f1等于一個(gè)常值。另外，電機(jī)定子電壓u1=Eg+(r1+jx1)I1。因此，適當(dāng)?shù)奶岣叨ㄗ与妷簎1，克服定子阻抗壓降，從而能維持Eg/f1為恒值;則可保證無(wú)論頻率高低，磁通ΦM均為常值，實(shí)現(xiàn)恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制，與恒定壓頻控制相比，補(bǔ)償了定子阻抗壓降，在控制穩(wěn)態(tài)性能上更具優(yōu)點(diǎn)。

Eg/f1控制

3.1.3 恒定轉(zhuǎn)子磁通?準(zhǔn)r(Er/f1)控制 在電壓、頻率協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)上，把電壓U1進(jìn)一步提高，使轉(zhuǎn)子漏抗上的壓降也抵消掉;這種控制方式即稱(chēng)之為恒定Er/f1控制。顯然，恒定Er/f1控制的穩(wěn)態(tài)性能最好，可獲得與直流電機(jī)一樣的線性機(jī)械特性。從電動(dòng)勢(shì)與磁通的關(guān)系的公式(Eg=4.44f 1N1KN1ΦM)中可看出，當(dāng)頻率恒定時(shí)電動(dòng)勢(shì)與磁通成正比，氣隙磁通Eg的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)應(yīng)氣隙磁通ΦM。同樣，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Er對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通?準(zhǔn)r時(shí)， Er=4.44f1N1KN1?準(zhǔn)r。因此，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通?準(zhǔn)r等于恒值來(lái)進(jìn)行控制，就可以實(shí)現(xiàn)恒定Er/f1控制。這也正是矢量控制系統(tǒng)所遵循的原則。

3.2 基頻f1以上調(diào)速 根據(jù)公式Eg=4.44f1N1KN1ΦM，當(dāng)頻率增加時(shí)，電機(jī)的電壓隨之提高。但若電機(jī)電壓已到達(dá)額定電壓，繼續(xù)升壓就可能造成電機(jī)絕緣損壞。因此，頻率升高的同時(shí)，必須降低磁通量，從而保持電機(jī)電壓不變。此時(shí)，電機(jī)輸出功率由電機(jī)額定電壓和額定電流決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的工作狀態(tài)。

4 變頻調(diào)速在升船機(jī)上的應(yīng)用

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，逐步在升船機(jī)系統(tǒng)中代替了直流調(diào)速電機(jī)，并且以明顯的優(yōu)勢(shì)占據(jù)著主導(dǎo)地位。

4.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

4.2 系統(tǒng)工作原理 三相交流電輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)的整流裝置，整流為標(biāo)準(zhǔn)的直流電，然后輸入到傳動(dòng)系統(tǒng)的逆變裝置，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿鶕?jù)現(xiàn)場(chǎng)需要的頻率可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)正弦電，于是使變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可以調(diào)節(jié)。這里把交流電變成直流電再變成交流電，而不是直接使用逆變裝置使交流變交流，原因是直流電壓波形較平直，使加于負(fù)載上的電壓值基本不受負(fù)載的影響，基本保持恒定。變頻調(diào)速裝置可使最小轉(zhuǎn)速達(dá)到0.1RPM，調(diào)速范圍廣，調(diào)速平滑性好，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)速雙重調(diào)速控制，并且其調(diào)速特性與直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速類(lèi)似，甚至比直流調(diào)速更完美。

變頻電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，然后再帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)。減速機(jī)專(zhuān)門(mén)配備一套稀有潤(rùn)滑系統(tǒng)，采用壓力油泵強(qiáng)制循環(huán)，使減速機(jī)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中不斷地得到潤(rùn)滑。制動(dòng)系統(tǒng)分為兩級(jí)制動(dòng)，工作制動(dòng)和安全制動(dòng)，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，安全制動(dòng)系統(tǒng)首先分級(jí)上閘，待轉(zhuǎn)速降低為零之后工作制動(dòng)器上閘，確保安全運(yùn)行。

4.3 變頻調(diào)速與直流調(diào)速的比較 傳統(tǒng)的升船機(jī)使用的是直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電機(jī)的較好調(diào)速特性，在變頻調(diào)速之前它一直在電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中處于統(tǒng)治地位?？墒怯捎趯?shí)際使用中需要的直流電源容量比較大，現(xiàn)場(chǎng)必須配備一套與之相對(duì)應(yīng)的直流發(fā)電系統(tǒng)，由交流異步電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)力，帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，然后再根據(jù)直流電機(jī)的調(diào)速特性，對(duì)升船機(jī)進(jìn)行正常運(yùn)行。

變頻調(diào)速系統(tǒng)則是由一套傳動(dòng)系統(tǒng)(整流裝置、逆變裝置)就可以對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)較好的調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)升船機(jī)的運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

升船機(jī)采用變頻電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，不但使調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，制造成本大大節(jié)省，而且對(duì)于日后的運(yùn)行也是簡(jiǎn)單易操作，極大的方便了運(yùn)行人員，提高了工作效率。