變頻調(diào)速技術(shù)及其在升船機上的應(yīng)用

直流電機的較好調(diào)速特性和力矩特性，是調(diào)速控制的主要方式，在上世紀90年代以前它在電動調(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，該項技術(shù)的發(fā)展在一定程度上受到了限制。交流電機、特別是異步電機，雖然結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行可靠、價格便宜也適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等一系列的優(yōu)點，在調(diào)速系統(tǒng)中卻很少應(yīng)用，至到可控硅元件問世后，異步電動機才在調(diào)速系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

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

1 變頻調(diào)速的原理及其優(yōu)點

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，進而對交流異步電機提供交流工作電源。其基本原理為：n=60f(1-s)/p

式中：n為異步電機轉(zhuǎn)速，f為電源頻率，P為磁極對數(shù)。由此可見，改變電源頻率即可改變異步電動機的轉(zhuǎn)速。

同時，因頻率的下降會導(dǎo)致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數(shù)下降，鐵芯和線圈過熱。這顯然不允許的。因此，要在降頻的同時還要降壓。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，電動機產(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)控制來實現(xiàn)，故稱為變壓變頻調(diào)速(VVVF)，簡稱變頻調(diào)速。

根據(jù)異步電機的控制方式不同，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 變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)性能，具有調(diào)速平滑性好、機械特性較硬、調(diào)節(jié)廣度較大，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速便捷，其調(diào)速特性與直流電動機的調(diào)壓調(diào)速和勵磁調(diào)速十分類似，并且可以與直流調(diào)速相媲美，甚至超過直流調(diào)速。

2 變頻調(diào)速器的分類

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。升船機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)點是直流電壓波形較平直，使施加于負載上的電壓值基本上不受負載的影響基本保持恒定，所以運行時幾乎不受負載的功率影響，而缺點是負載出現(xiàn)短路或變頻器運行狀態(tài)下投入負載，易出現(xiàn)過電流，必須在極短時間內(nèi)施加保護措施。

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，使施加在負載上的電流值穩(wěn)定不變，基本上不受負載的影響，其特性與電流源相似，故稱為電流型變頻器。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，從而構(gòu)成可調(diào)的直流電源來達到控制輸出的目的。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載短路引起的過流，保護的可靠性較高，因此用在頻繁加減速的場合多一些。

3 變壓變頻協(xié)調(diào)控制

為了實現(xiàn)對異步電機電壓和頻率的協(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是變頻器對電機進行恒轉(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。通過控制電機的電流恒定，即可控制電機的轉(zhuǎn)矩恒定，這種控制方式稱為恒轉(zhuǎn)矩控制(即電機在速度變化的動態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力);其控制的重點，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控制是異步電動機變頻調(diào)速的最基本控制方式，在控制電動機的電源頻率變化的同時還控制變頻器的輸出電壓，使U1/f1為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。

恒定U1/f1控制的基本模型是電動機的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，從而，其控制效果只有在穩(wěn)態(tài)時才符合要求。例如在電機正常運行時，電動機電阻r1和定子漏電抗x1的壓降較小，基本可以忽略不計。在這種情況下，電機定子電壓U1與感應(yīng)電動勢Eg近似相等。恒定U1/f1控制最容易實現(xiàn)，也能滿足一般的調(diào)速要求，并且，其最突出的優(yōu)點就是可以進行電機的開環(huán)速度控制。 　　但是，恒定U1/f1控制在低速運行狀態(tài)下性能較差，這是因為低速狀態(tài)下，異步電動機定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，電機U1≈Eg的條件已不滿足;從而按U1/f1控制已不能保持電機磁通恒定。結(jié)果造成電機磁通減小，電機電磁轉(zhuǎn)矩的的減小。因此，在低速運轉(zhuǎn)的時候，要適當加大U1/f1的值，以補償定子壓降。

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

從以上公式可知，如果要保持磁通量ΦM不變，當頻率f1變化時，必須改變電動勢Eg的大小，使Eg/f1等于一個常值。另外，電機定子電壓u1=Eg+(r1+jx1)I1。因此，適當?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;則可保證無論頻率高低，磁通ΦM均為常值，實現(xiàn)恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制，與恒定壓頻控制相比，補償了定子阻抗壓降，在控制穩(wěn)態(tài)性能上更具優(yōu)點。

Eg/f1控制

3.1.3 恒定轉(zhuǎn)子磁通?準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，可獲得與直流電機一樣的線性機械特性。從電動勢與磁通的關(guān)系的公式(Eg=4.44f 1N1KN1ΦM)中可看出，當頻率恒定時電動勢與磁通成正比，氣隙磁通Eg的感應(yīng)電動勢對應(yīng)氣隙磁通ΦM。同樣，轉(zhuǎn)子磁通的感應(yīng)電動勢Er對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通?準r時， Er=4.44f1N1KN1?準r。因此，只要能夠按照轉(zhuǎn)子磁通?準r等于恒值來進行控制，就可以實現(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，當頻率增加時，電機的電壓隨之提高。但若電機電壓已到達額定電壓，繼續(xù)升壓就可能造成電機絕緣損壞。因此，頻率升高的同時，必須降低磁通量，從而保持電機電壓不變。此時，電機輸出功率由電機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。相當于直流電機弱磁升速的工作狀態(tài)。

4 變頻調(diào)速在升船機上的應(yīng)用

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的快速發(fā)展，逐步在升船機系統(tǒng)中代替了直流調(diào)速電機，并且以明顯的優(yōu)勢占據(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系統(tǒng)的整流裝置，整流為標準的直流電，然后輸入到傳動系統(tǒng)的逆變裝置，進而轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿鶕?jù)現(xiàn)場需要的頻率可調(diào)的標準正弦電，于是使變頻電機的轉(zhuǎn)速可根據(jù)現(xiàn)場可以調(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，使加于負載上的電壓值基本不受負載的影響，基本保持恒定。變頻調(diào)速裝置可使最小轉(zhuǎn)速達到0.1RPM，調(diào)速范圍廣，調(diào)速平滑性好，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩和恒轉(zhuǎn)速雙重調(diào)速控制，并且其調(diào)速特性與直流電機的調(diào)壓調(diào)速類似，甚至比直流調(diào)速更完美。

變頻電機帶動減速機，然后再帶動卷筒轉(zhuǎn)動。減速機專門配備一套稀有潤滑系統(tǒng)，采用壓力油泵強制循環(huán)，使減速機在正常運轉(zhuǎn)中不斷地得到潤滑。制動系統(tǒng)分為兩級制動，工作制動和安全制動，一旦出現(xiàn)突發(fā)情況，安全制動系統(tǒng)首先分級上閘，待轉(zhuǎn)速降低為零之后工作制動器上閘，確保安全運行。

4.3 變頻調(diào)速與直流調(diào)速的比較 傳統(tǒng)的升船機使用的是直流調(diào)速系統(tǒng)，由于直流電機的較好調(diào)速特性，在變頻調(diào)速之前它一直在電動調(diào)速系統(tǒng)中處于統(tǒng)治地位?？墒怯捎趯嶋H使用中需要的直流電源容量比較大，現(xiàn)場必須配備一套與之相對應(yīng)的直流發(fā)電系統(tǒng)，由交流異步電動機作為原動力，帶動直流發(fā)電機，然后再根據(jù)直流電機的調(diào)速特性，對升船機進行正常運行。

變頻調(diào)速系統(tǒng)則是由一套傳動系統(tǒng)(整流裝置、逆變裝置)就可以對電動機實現(xiàn)較好的調(diào)速控制，實現(xiàn)升船機的運行。

5 結(jié)束語

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