港口起重機變頻調速及節(jié)能應用探討

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

1.調速系統(tǒng)的發(fā)展

交流電機結構簡單、價格低廉、運行可靠、維護方便，所以被廣泛應用于生產(chǎn)機械 電力拖動系統(tǒng)作為動力源。但是交流電機的起動特性一直改進甚微，因為在恒壓下直接起動的電流約為額定電流的4～7倍，而轉速要在這么短暫的時間內從零升至額定值必將產(chǎn)生極大的沖擊，導致拖動對象(如傳動機構裝置)嚴重磨損或損壞，在起動瞬間的大電流還會引起電網(wǎng)電壓降低，嚴重時甚至影響電網(wǎng)內其他設備正常運行， 由于電壓突然降低電機本身起動也難以完成，極易造成電機堵轉和燒毀。

防止或減少異步電機起動瞬間大電流沖擊現(xiàn)象，是保障電機良好運行的首要任務。為此，設法使電機起動處于低沖擊或無沖擊且平滑柔和的環(huán)境狀態(tài)，各種限流起動方法便應運而生。就現(xiàn)今技術水準而言，在諸多電機起動方式中變頻控制為最佳。

變頻調速技術是隨交流電機無級調速需求誕生的。20世紀60年代后半期開始，電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)、SIT (靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管), 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不斷發(fā)展。從2O世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻(PWM―VVVF)調速研究引起了人們的高度重視，到20世紀8O年代，作為變頻技術核心的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80年代后半期始，美、日、德、英等發(fā)達國家的VVVF變頻器開始投入市場并得到廣泛應用。

2.變頻調速方案

根據(jù)不同生產(chǎn)作業(yè)方式和不同的電機種類、變頻器型式，可設計出各種變頻調速控制方法。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，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變頻調速系統(tǒng)

本控制方案結構簡單，可靠性高。由于是開環(huán)控制方式，其調速精度和動態(tài)響

應特性不十分理想，尤其在低速區(qū)域電壓調整比較困難，不可能得到較大調速范圍和較高調速精度。又由于異步電機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變化，即使目前部分變頻器具有轉差補償及轉矩提升功能，也難以達到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開環(huán)變頻調速方法僅適用于要求不高的場合(如風機、水泵等)。

2.2 無速度傳感器 的矢量控制變頻器異步電機變頻調速系統(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，可以分別對異步電機的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令 值和檢測實際值達到一致，從而實現(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)精度和動態(tài)品質，轉速精度偏差在0.5%左右，且轉速響應較快。

對生產(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)異步電機變頻調速方案非常合適，可以達到控制方式簡單、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閉環(huán)變頻調速系統(tǒng)

矢量控制異步電機閉環(huán)變頻調速是一種理想的控制方式。它具有許多優(yōu)點：①可從零轉速起進行速度控制(即超低速亦能運行)，故調速區(qū)域寬廣，可達100：1或1000：1的范圍。②可對轉矩實行精確控制。③系統(tǒng)動態(tài)響應速度甚快。④電機加速度特性很好等。

2.4 永磁同步電機開環(huán)控制變頻調速系統(tǒng)

該方案具有控制電路簡單、可靠性高的特點。由于是同步電機，其轉速始終等于同步轉速N0=60F/P，所以其調速性能只取決于電機供電頻率F，而與負載大小無關(除非負載力矩大于或等于失步轉矩。同步電機失步，轉動會迅速停止)，其機械特性曲線為一根直線，為絕對硬特性。

如果采用高精度的變頻器(數(shù)字設定頻率精度可達0.01%)，在開環(huán)控制情形下，同步電機的轉速精度亦為0.01%，因為在開環(huán)控制方式下，同步電機轉速精度與變頻器頻率精度相一致，所以特別適合多電機同步傳動。

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，是因為變頻器在其中所發(fā)揮的作用。變頻器只有在低于工頻運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)，設計配用動力驅動的各種生產(chǎn)機械都留有一定的富余量，電機一般不會在滿負荷狀態(tài)下運行，因此除要達到額定驅動力要求外，多余的力矩無疑增加了有功功率消耗，造成電能浪費。然而， 加變頻器后就可以需要多少電能給多少，不會產(chǎn)生浪費現(xiàn)象。使用變頻器控制時，功耗隨外負載的變化而變化，也就是說變頻器會自動調整輸出功率，使其在滿足工況的同時達到節(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，電機改用變頻鼠籠電機，不存在常規(guī)控制系統(tǒng)中繞線式異步電動機轉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)，就可將貨物下降時產(chǎn)生的能量轉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

電機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用產(chǎn)生力矩而運轉。繞組線圈對電網(wǎng)而言電抗特性呈感性，電機在運行時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，由于變頻電機不存在轉子外接線問題，變頻器本身保護功能很強，變頻器一旦檢測到所控電機回路有對地漏電、匝間短路、三相輸出不平衡，變頻器立即保護停機，并報故障原因，不僅消除了安全隱患，而且不會因漏電、缺相、短路保護不可靠而造成電能損耗。

4.結 語

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