港口起重機(jī)變頻調(diào)速及節(jié)能應(yīng)用探討

本文主要是作者結(jié)合多年來對(duì)港口機(jī)械相關(guān)方面的工作經(jīng)驗(yàn)，闡述了港口起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，變頻調(diào)速方案及變頻控制系統(tǒng)節(jié)能等三個(gè)方面，可供同行參考。

1.調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展

交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，所以被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)機(jī)械 電力拖動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源。但是交流電機(jī)的起動(dòng)特性一直改進(jìn)甚微，因?yàn)樵诤銐合轮苯悠饎?dòng)的電流約為額定電流的4～7倍，而轉(zhuǎn)速要在這么短暫的時(shí)間內(nèi)從零升至額定值必將產(chǎn)生極大的沖擊，導(dǎo)致拖動(dòng)對(duì)象(如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)裝置)嚴(yán)重磨損或損壞，在起動(dòng)瞬間的大電流還會(huì)引起電網(wǎng)電壓降低，嚴(yán)重時(shí)甚至影響電網(wǎng)內(nèi)其他設(shè)備正常運(yùn)行， 由于電壓突然降低電機(jī)本身起動(dòng)也難以完成，極易造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)和燒毀。

防止或減少異步電機(jī)起動(dòng)瞬間大電流沖擊現(xiàn)象，是保障電機(jī)良好運(yùn)行的首要任務(wù)。為此，設(shè)法使電機(jī)起動(dòng)處于低沖擊或無沖擊且平滑柔和的環(huán)境狀態(tài)，各種限流起動(dòng)方法便應(yīng)運(yùn)而生。就現(xiàn)今技術(shù)水準(zhǔn)而言，在諸多電機(jī)起動(dòng)方式中變頻控制為最佳。

變頻調(diào)速技術(shù)是隨交流電機(jī)無級(jí)調(diào)速需求誕生的。20世紀(jì)60年代后半期開始，電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關(guān)斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管)、SIT (靜電感應(yīng)晶體管)、SITH(靜電感應(yīng)晶閘管), MCT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)發(fā)展到今天的I G B T(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術(shù)不斷發(fā)展。從2O世紀(jì)70年代開始，脈寬調(diào)制變壓變頻(PWM―VVVF)調(diào)速研究引起了人們的高度重視，到20世紀(jì)8O年代，作為變頻技術(shù)核心的PWM模式優(yōu)化問題引起了人們的濃厚興趣，并得出諸多優(yōu)化模式，其中以鞍形波PWM模式效果為最佳。自20世紀(jì)80年代后半期始，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家的VVVF變頻器開始投入市場(chǎng)并得到廣泛應(yīng)用。

2.變頻調(diào)速方案

根據(jù)不同生產(chǎn)作業(yè)方式和不同的電機(jī)種類、變頻器型式，可設(shè)計(jì)出各種變頻調(diào)速控制方法。這里僅討論交一直一交(AC―DC―AC)變頻器，至于交一交循環(huán)變頻器(AC―AC相控變頻)以及自同步控制逆變器(不論AC―AC方式還是AC―DC―AC方式)，即俗稱無換向器電機(jī)，均不加以討論。

2.1 開環(huán)控制的通用變頻器三相異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

本控制方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。由于是開環(huán)控制方式，其調(diào)速精度和動(dòng)態(tài)響

應(yīng)特性不十分理想，尤其在低速區(qū)域電壓調(diào)整比較困難，不可能得到較大調(diào)速范圍和較高調(diào)速精度。又由于異步電機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，轉(zhuǎn)速隨負(fù)荷力矩變化而變化，即使目前部分變頻器具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償及轉(zhuǎn)矩提升功能，也難以達(dá)到0.5%的精度要求，所以這種V/F控制的通用變頻器異步電機(jī)開環(huán)變頻調(diào)速方法僅適用于要求不高的場(chǎng)合(如風(fēng)機(jī)、水泵等)。

2.2 無速度傳感器 的矢量控制變頻器異步電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)

兩者的差別僅在于使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對(duì)異步電機(jī)的磁通和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行檢測(cè)、控制，自動(dòng)改變電壓和頻率，使指令 值和檢測(cè)實(shí)際值達(dá)到一致，從而實(shí)現(xiàn)矢量控制。雖說它是開環(huán)控制系統(tǒng)，但卻大大提升了靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，轉(zhuǎn)速精度偏差在0.5%左右，且轉(zhuǎn)速響應(yīng)較快。

對(duì)生產(chǎn)作業(yè)要求不十分高的情形，采用矢量變頻器無傳感器開環(huán)異步電機(jī)變頻調(diào)速方案非常合適，可以達(dá)到控制方式簡(jiǎn)單、可靠性高的效果。

2.3 帶速度傳感器矢量控制變頻器異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速系統(tǒng)

矢量控制異步電機(jī)閉環(huán)變頻調(diào)速是一種理想的控制方式。它具有許多優(yōu)點(diǎn)：①可從零轉(zhuǎn)速起進(jìn)行速度控制(即超低速亦能運(yùn)行)，故調(diào)速區(qū)域?qū)拸V，可達(dá)100：1或1000：1的范圍。②可對(duì)轉(zhuǎn)矩實(shí)行精確控制。③系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度甚快。④電機(jī)加速度特性很好等。

2.4 永磁同步電機(jī)開環(huán)控制變頻調(diào)速系統(tǒng)

該方案具有控制電路簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)。由于是同步電機(jī)，其轉(zhuǎn)速始終等于同步轉(zhuǎn)速N0=60F/P，所以其調(diào)速性能只取決于電機(jī)供電頻率F，而與負(fù)載大小無關(guān)(除非負(fù)載力矩大于或等于失步轉(zhuǎn)矩。同步電機(jī)失步，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)迅速停止)，其機(jī)械特性曲線為一根直線，為絕對(duì)硬特性。

如果采用高精度的變頻器(數(shù)字設(shè)定頻率精度可達(dá)0.01%)，在開環(huán)控制情形下，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速精度亦為0.01%，因?yàn)樵陂_環(huán)控制方式下，同步電機(jī)轉(zhuǎn)速精度與變頻器頻率精度相一致，所以特別適合多電機(jī)同步傳動(dòng)。

3.變頻控制系統(tǒng)節(jié)能

變頻控制系統(tǒng)之所以可節(jié)能，是因?yàn)樽冾l器在其中所發(fā)揮的作用。變頻器只有在低于工頻運(yùn)行或從高頻降到低頻過程中才能起到節(jié)能的功效 。

3.1 變頻節(jié)能

為確保安全生產(chǎn)，設(shè)計(jì)配用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的各種生產(chǎn)機(jī)械都留有一定的富余量，電機(jī)一般不會(huì)在滿負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，因此除要達(dá)到額定驅(qū)動(dòng)力要求外，多余的力矩?zé)o疑增加了有功功率消耗，造成電能浪費(fèi)。然而， 加變頻器后就可以需要多少電能給多少，不會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)現(xiàn)象。使用變頻器控制時(shí)，功耗隨外負(fù)載的變化而變化，也就是說變頻器會(huì)自動(dòng)調(diào)整輸出功率，使其在滿足工況的同時(shí)達(dá)到節(jié)約電能的目的。

3.2 電能回饋電網(wǎng)節(jié)能

采用變頻器控制，電機(jī)改用變頻鼠籠電機(jī)，不存在常規(guī)控制系統(tǒng)中繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻耗能的問題，若使用帶能量回饋裝置的逆變系統(tǒng)，就可將貨物下降時(shí)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能后反饋電網(wǎng)，更加節(jié)能。

3.3 提高功率因數(shù)節(jié)能

電機(jī)由定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組通過電磁作用產(chǎn)生力矩而運(yùn)轉(zhuǎn)。繞組線圈對(duì)電網(wǎng)而言電抗特性呈感性，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)吸收大量的無功功率，造成功率因數(shù)降低。采用變頻節(jié)能調(diào)速器后，由于其性能已變?yōu)锳C―DC ―AC，經(jīng)整流、濾波、逆變后，線路特性發(fā)生了變化，電網(wǎng)回路的感抗減小，功率因數(shù)提高，明顯減少了無功損耗。

3.4 低功耗安全控制節(jié)能

采用變頻控制后，由于變頻電機(jī)不存在轉(zhuǎn)子外接線問題，變頻器本身保護(hù)功能很強(qiáng)，變頻器一旦檢測(cè)到所控電機(jī)回路有對(duì)地漏電、匝間短路、三相輸出不平衡，變頻器立即保護(hù)停機(jī)，并報(bào)故障原因，不僅消除了安全隱患，而且不會(huì)因漏電、缺相、短路保護(hù)不可靠而造成電能損耗。

4.結(jié) 語

現(xiàn)今，在起重機(jī)中采用最新的PLC、變頻器技術(shù)(電氣控制系統(tǒng))對(duì)整機(jī)操作進(jìn)行控制，又有完善的故障監(jiān)控、報(bào)警、記錄以及故障診斷和排除系統(tǒng)，為維護(hù)人員進(jìn)行檢修判斷起到了很好的指導(dǎo)與幫助作用。