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?！壳埃蠊β首冾l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，可以通過改變?nèi)嘟涣麟妱?dòng)機(jī)的磁極對數(shù)、轉(zhuǎn)差率或電源頻率來改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，也就是通常所說的變極調(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)子電勢頻率相同的三相對稱的附加電勢，通過改變其大小和相位來調(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)速通過改變電源頻率來改變電動(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，由于頻率已超過基頻，而定子電壓卻不可能超過額定電壓，此時(shí)磁通量無法保持不變，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控制通過控制變頻器輸出電壓與輸出頻率的比值來控制轉(zhuǎn)矩，該控制方式結(jié)構(gòu)簡單且機(jī)械特性較硬。這種變頻器一般采用開環(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，對過電流的限制效果較好。

矢量控制指以矢量坐標(biāo)電路來控制電動(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)矩控制指通過檢測電動(dòng)機(jī)定子電壓和電流，利用空間矢量、定子磁場定向分析，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

對橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)來講，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)，一般通過以下公式來確定，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。

通過可編程邏輯控制器對電纜變頻電動(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，還須對變頻器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，部分基本參數(shù)設(shè)置見表1。

4結(jié)束語

橋吊吊具電纜控制系統(tǒng)變頻調(diào)速技術(shù)具有平滑無級(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，該技術(shù)也存在系統(tǒng)較復(fù)雜、成本相對較高等缺點(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。