淺談起重機變頻器及電氣控制系統(tǒng) 變頻器是系統(tǒng)優(yōu)化的關鍵。可以說變頻器的性能基本上決定了起重機變頻調速系統(tǒng)的性能。
現在起重機的設計者已經可以方便地采用直接轉矩控制方式的變頻器來控制起重機，這是一種非常適合起重機負載用的變頻器。為什么說直接轉矩控制(DTC)變頻器適合起重機控制，主要有如下幾點:
(1) 杰出的力矩控制性能。變頻器能按照實際負載的大小在小于5ms的時間內提供所需要的輸出轉矩，負載的轉矩直接被控制，由DTC變頻器傳動的起重機，動態(tài)性能優(yōu)異，能適應沖擊載荷，安全性能好。
(2) 突出的速度控制性能。變頻器內部的速度觀測器可以在沒有速度傳感器的情況下進行對電動機實際速度的估算，動態(tài)的速度誤差優(yōu)于0.4%sec，即使變頻器外部速度不閉環(huán)控制，電機有足夠硬的外特性。
(3) 良好的起動性能。變頻器在起動過程中能提供200%額定值的起動轉矩，因此起動加速有力，起動非常平穩(wěn)，并可以在很低的頻率下起動電機，有效拓展了實際的調速范圍。
直接轉矩控制技術是交流傳動當今發(fā)展的重要成果。變頻器在20多年中，已經歷了從恒壓頻比(V/F=C)控制、電壓矢量控制、轉差頻率控制、矢量控制、無速度傳感器矢量控制和無速度傳感器的直接轉矩控制的歷程。
大家知道，變頻器根據電機的外特性對供電電壓、電流和頻率進行控制，不同的控制方式所得到的調速性能是不同的。80年代中期，市場上銷售的還大都是恒壓頻比控制的變頻器，V/F恒定控制是在控制電機電壓變化的同時控制變頻器的輸出頻率，并使二者的比值為一常數，從而使電機的磁通基本保持恒定。這種控制的優(yōu)點是控制簡單，缺點是低速時轉矩脈動大，轉矩輸出性能較差，原因是低頻情況下電機的定子電阻引起的電壓降所占的比重增大，使得仍按V/F恒定控制已不能使電機的磁通恒定，通常在低于20Hz輸出力矩就開始下降，因此低速段電機的力矩往往不足。
為了提高低速段的力矩不得不采取借助提高電壓的辦法，它所帶來的后果是電機被過度激勵而導致電機磁路飽和，電機嚴重發(fā)熱和效率降低。這種變頻器內部對電流是不控制的，無法根據負載實時地改變輸出轉矩得大小，所以難以滿足起重機作業(yè)的要求，具體表現在:起動頻率必須很高，調速的范圍變得很窄，若用于起升機構，動態(tài)性能不佳，在要求快速作業(yè)或荷重有沖擊的情況時電機輸出力矩往往不足，容易溜鉤，安全性難以保證。
旨在改善V/F恒定控制轉矩脈動的問題，各變頻器生產商相繼開發(fā)出電壓空間矢量控制(即磁通控制)方式的變頻器，方法是對SPWM電壓進行修正并加以控制，以獲得電機園形磁場，但是這類變頻器在低速轉矩輸出性能方面改善并不明顯。
通用變頻器真正進入起重機領域是矢量控制型推出之后。矢量控制實現的基本原理是通過測量和控制電機的定子電流矢量，根據磁場定向原理分別對電機產生磁場的電流分量和產生轉矩的電流分量進行控制，從而達到控制異步電動機轉矩的目的。
矢量控制方式有基于轉差頻率控制的控制方式、有速度傳感器矢量控制方式和無速度傳感器的矢量控制方式等。基于轉差頻率控制的矢量控制方式同樣是在V/F=C控制的基礎上，通過檢測電動機的實際速度，得到相應的控制頻率，然后根據希望得到的轉矩，分別控制定子電流矢量及兩個分量間的相位。這種控制方式的最大特點是可以消除動態(tài)過程中轉矩電流的波動，從而提高了通用變頻器的動態(tài)性能。早期的矢量控制的通用變頻器基本上都是采用基于轉差頻率控制的矢量控制方式。
采用矢量控制方式實現精確的磁場定向需要在電動機內安裝磁通檢測裝置，這是一件比較困難的事情;由于矢量控制方式需要準確地輸入電動機的參數，還需要使用速度傳感器或編碼器，甚至需要使用廠商指定的專用電動機，給使用者帶來麻煩不說，如果上述條件不滿足，就難以達到理想的控制效果。所以矢量控制必須朝無磁通檢測器方面發(fā)展。人們發(fā)現，即使不在異步電動機里面直接安裝磁通檢測器，仍然可以在變頻器內部得到與磁通相應的量，并由此得到所謂的無速度傳感器的矢量控制方式。它的基本控制思想是根據輸入的電動機銘牌參數，按照轉矩計算公式分別對勵磁電流(或磁通)和轉矩電流進行檢測，并通過控制電動機定子繞組上的電壓和頻率使勵磁電流(或磁通)和轉矩電流的指令值與檢測值達到一致，并輸出轉矩，從而實現矢量控制。
直接轉矩控制也被稱為“直接自控制”，這種“直接自控制”的思想是以轉矩為中心來進行磁鏈、轉矩的綜合控制。和矢量控制不同，直接轉矩控制不采用解耦的方式，在算法上不需要進行坐標旋轉變換，只要通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬間空間矢量理論和定子磁場定向的分析方法，直接在定子坐標系下分析電動機的數學模型，計算與控制電機的磁鏈和轉矩，并根據與給定值比較所得到的差值，采用離散的兩點式調節(jié)器，把轉矩值限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節(jié)器來控制，并有此產生PWM脈寬調制信號，去控制逆變器開關狀態(tài)，實現磁鏈和轉矩的直接控制。直接轉矩控制與矢量控制比較，直接轉矩控制磁場定向所用的是定子磁鏈，只要知道定子電阻就可以把它觀測出來;而矢量控制磁場定向所用的是轉子磁鏈，觀測轉子磁鏈則需要知道電動機的轉子電阻和電感。另一個不同之處是直接轉矩控制把轉矩直接作為被控量，而矢量控制是通過控制電流、磁鏈等量去間接控制轉矩，所以直接轉矩控制的物理概念更明確，結構也更簡單。
實際應用的效果也證明，直接轉矩控制變頻器不但性能好，使用也特別方便。不但在起升電動機應用是如此，運用在大小車走行電動機上效果也特別好，因為大小車往往是多電機并聯運行由一臺變頻器供電，直接轉矩控制變頻器在多電機并聯時依然可以DTC控制，充分發(fā)揮轉矩控制的優(yōu)點，而矢量控制卻做不到這一點。直接轉矩控制變頻器的種種優(yōu)點，使得許多起重機生產企業(yè)把直接轉矩控制變頻器作為首選的變頻器來加以采用。
2.2 關于起重機控制的專用軟件
選用DTC起重機控制的專用軟件是一種系統(tǒng)優(yōu)化的簡單辦法。起重機應用控制軟件往往由變頻器制造商提供，該軟件針對起重機作業(yè)的常規(guī)要求而編制，對于一般應用場合是足夠了，將這種專用的軟件裝載到所適配的變頻器上，這些變頻器將具備如下功能(以ACC變頻器為例):
(1) 提供起重機所需要的操作端口。例如起升變頻器它通常具有:零位信號檢測、制動器延時打開命令、制動器動作應答信號、鋼絲繩松弛、提升命令、下降命令、快速停車命令等。
(2) 為提高系統(tǒng)的安全性能，提供了制動器的狀態(tài)檢測、操作手柄的邏輯監(jiān)控和開機前的力矩校驗等。
(3) 在起動之前自動對電機實行直流勵磁，油脂浸出設備以保證電動機能迅速地提供輸出轉矩，并通過調節(jié)勵磁的時間使電動機的起動與制動器釋放的時間相配合。
(4) 為防止出現“倒拉”，軟件提供電動機輸出力矩記憶功能，每次提升結束都自動地將變頻器的輸出轉矩值記憶下來，當載荷在空中再次提升時，變頻器將輸出與上一次大小相當的力矩。
(5) 提供電動機功率優(yōu)化功能，在電機超過同步速進入恒功率區(qū)時將自動按荷重的大小限制電機的速度，以保證電機有足夠的轉矩來控制負載。
(6) 用于下降的斬波制動單元一旦發(fā)生異常，電動機將緊急停車。
這種由專用軟件控制的變頻器給起重機電控系統(tǒng)設計帶來莫大的便利，甚至不需要PLC平臺就能很好地工作。這種起重機專用變頻器構成的調速系統(tǒng)在大噸位，不需要快速地上升、下降切換操作的場合是很適用的。
然而，對于要求快速作業(yè)的場合，它的缺點就顯露出來了。比如制動器必須在電機實際轉速到零時動作，司機會感覺動作拖塌;比如變頻器有限的I/O控制端口中有相當的被指定為起重機專用口后，自行組態(tài)受到了限制等等。由于變頻器內部軟件組的開放有一定的權限，一般使用者無力去改變。
為了提高起重機的操縱性能，適用快速作業(yè)的要求，較為理想的解決方法是采用ACS標準應用宏的變頻器和自行建立PLC控制平臺，ACS和ACC這兩種變頻器在硬件上是完全一樣的。設計時可將專用變頻器軟件的主要設計思想融入到PLC平臺中，自行編制控制軟件，這樣做的優(yōu)點是束縛少，功能更豐富，控制也更為靈活。例如在控制程序中調用變頻器內部第二加減速功能簡單方法，可以大大提高整個調速系統(tǒng)起、制動的快速性，也充分利用了變頻器的過載能力;例如加入防超速、防溜鉤、防倒拉等保護功能，這種系統(tǒng)在鐵路集裝箱起重機上推廣應用，取得很滿意的效果。
2.3 關于再生能量的處理方式
起重機變頻器在降頻過程中，電動機從電動狀態(tài)自動進入發(fā)電狀態(tài)，電動機由此獲得制動轉距。減速越快，負載的GD2越大，再生的能量也就越大。處理這部分能量既可防止變頻器直流母線電壓超過額定電壓，造成變頻器的損壞，同時又可獲得所需要的制動轉矩。
起重機在再生能量的處理上，應用最多的是采用外接制動單元和制動電阻的方法，它的優(yōu)點是將再生能量消耗在電機之外，電動機不發(fā)熱，適合頻繁工作。缺點是這部分再生能量在電阻上以熱能形式被白白消耗掉了。這種方式在理論上不及采用可逆變流器的能量回饋型的處理方式好，因為回饋型可以將再生能量回饋電網，使再生能量得到完全的利用。然而，回饋型對以滑觸方式受電的起重機是不合適的，任何受電器的跳動都有可能造成逆變的失敗，乃至殃及變頻器損壞。
對于一個全變頻控制的系統(tǒng)，榨油設備采用變頻器公共直流母線供電方式是應推崇的方案。起升、大小車、回轉所有逆變器連接在一條公用直流母線上，共用一個網側整流器。此系統(tǒng)中往往有一臺或及臺工作于再生狀態(tài)，產生再生能量，這些能量通過直流母線被處于電動狀態(tài)的其他電動機所吸收，不能完全吸收時，則通過共用的制動電阻消耗掉。這種方式僅管沒有回饋電網，但再生能量被得到充分利用。
3 系統(tǒng)的可靠性問題
起重機調速系統(tǒng)的可靠性問題是個很突出的問題。可靠性問題解決得好(實際上也是一個優(yōu)化的問題)，可以充分發(fā)揮變頻起重機所具有的種種優(yōu)點，可靠性問題解決得不好，則成為推廣變頻技術的瓶頸。
3.1 規(guī)范設計
起重機變頻調速系統(tǒng)的設計規(guī)范尚在完善之中，應該看到目前在不少設計中還或多或少地存在不規(guī)范的問題，比較突出的問題如:
(1) 電動機設計和選用。對于變頻起重機用電動機，大多數以為只要采用變頻電機就可以了，其實不然，實際表明沿用過去工頻下按起重機起重量以及運行速度來確定電動機容量的方法也許是欠準確的，因為電動機在電網供電下和在變頻器供電下的起動電流倍數是差異的，后者約為前者的1/2，因此按上述原則確定的電動機容量在往往顯得偏小，起動力矩不足。不僅如此，對電壓型通用變頻器供電的異步電動機漏抗值應控制在多大為好，未見標準。由于電動機的漏抗與起動電流倍數有關，漏抗大的電動機可以降低諧波，但也降低了起動電流。因此，對于電機的設計、選用有必要引起重視和討論。
(2) 動力電纜與信號電纜的敷設。這個問題在電氣艙和梁上并不突出，可以通過分開敷線來解決。問題集中在有滑動懸掛電纜的場合，鑒于成本考慮，動力電纜與信號電纜混放，設計上不愿意另辟路經。其后果是，信號電纜被干擾，嚴重時會影響系統(tǒng)正常工作，為此控制系統(tǒng)不得不被動地采取一系列抗干擾措施。變頻調速系統(tǒng)如何規(guī)范行線，是一個值得在設計中加以研究的問題。
限于篇幅，有關規(guī)范設計方面的問題，這里恕不一一例舉。但是，大家已經認識到規(guī)范設計是保證系統(tǒng)可靠性的第一步，需要我們通過實踐去積累經驗，加以認識。
3.2 提高設備和器件的可靠性
變頻調速系統(tǒng)中，除變頻器、可編程控制器外，電動機、電機電纜、機械制動器、主令控制器、制動電阻是較為薄弱的環(huán)節(jié)。
(1) 電動機。這里討論電動機的絕緣問題和電動機的發(fā)熱問題。由于PWM波在傳輸過程中，電動機和傳輸電纜的波阻抗不同會引起反射和疊加，400V低壓電動機相繞組的首端電壓有時可超過1000V。PWM脈沖波的電壓上升率約6kV/μs，電動機繞組的電壓呈不均勻分布，繞組電壓將集中在繞組的首部。所以，繞組的絕緣特別是匝間絕緣應能滿足上述電壓的要求，試驗標準應相應提高。當使用原有繞線式電動機時，必須定期加強絕緣的監(jiān)測。此外，電動機變頻供電與電網供電相比，溫升也有所提高，據測試，在相同的試驗條件下，電動機在變頻器50Hz下的溫升約上升5~7度，這種溫度升高是諧波損耗所引起的。
(2) 電機電纜。這里主要指起升電動機的電纜。從電磁兼容出發(fā)，應采用帶屏蔽的園型3+3對稱結構的電力電纜，由于市場的需求，實際上國內已經開始生產。但是這種電纜在柔軟性方面不及扁電纜，因此往往不被選用。而那種非對稱結構以及通常又沒有屏蔽層的扁電纜使用后，常常會因電流零序分量大增和產生射頻干擾而破壞系統(tǒng)正常工作，這種故障形式往往不確定，給使用和維護都帶來了相當的麻煩。所以有必要規(guī)范變頻起重機電機電纜的使用。
(3) 機械制動器。變頻調速拓展了電動機的速度范圍，以起升電動機為例，電動機恒功率狀態(tài)下運行頻率可達100Hz，由于運行速度提高，制動器的制動力相應也要提高，采用雙制動器設計是合理的，對提高機械制動的可靠性十分有效。
(4) 主令控制器。主令控制器的可靠性直接與制造的工藝、精度和材質有關。在所有器件中主令控制器的故障率差不多是最高的。所以，一個好的控制系統(tǒng)應該有一個質量好的主令控制器，但這往往在設計中被忽視。主令控制器輸出的模擬量信號，過去通常采用電位器來實現的，由于電位器安裝位置容易走動，磨損問題也比較突出，從提高可靠性出發(fā)，更理想的方法是采用檔位接點或脈沖編碼器通過開關信號轉換成模擬信號，轉換的方法可以借助PLC的D/A模塊。
(5) 制動電阻。制動電阻與制動單元在產生電動機的制動力中發(fā)揮重要作用。它的可靠與否，不僅關系到制動性能，還關系到變頻器的安全。制動電阻應有高的機械強度，能經受起重機運行產生的振動而不損壞，制動電阻還應具有小的溫度系數，否則一旦發(fā)熱，電阻值迅速增大，制動力矩將明顯減小。所以，制動電阻推薦采用不銹鋼合金制成的電阻，電阻片之間的連接不能用緊固件而應用氬弧焊進行焊接而成，以確保電阻器物理性能的穩(wěn)定。
3.3 提高電磁兼容性。
變頻器在工作時會產生各種干擾，所以在系統(tǒng)設計時要特別加以注意。電磁兼容對系統(tǒng)優(yōu)化來說是一個極為重要的標志。提高電磁兼容的做法有:
(1) 在變頻器進線側加交流電抗器。
(2) 采用EMC濾波器。
以上方法可以有效地抑制高次偕波對電網的影響。
(3) 所有進入PLC的開關信號，如限位開關，主令控制器的零位、方向、檔位均經過繼電器中繼，繼電器緊挨著PLC安裝，由無源的繼電器接點與PLC輸入口相連，實現無干擾信號傳輸。
(4) 所有模擬信號采用雙絞線或帶屏蔽的雙絞線傳輸，雙絞線的節(jié)距小于10mm，可有效降低傳輸的噪聲。
(5) 電機電纜的屏蔽層應在變頻器的PE端良好接地(具體應嚴格按照變頻器使用說明書的規(guī)定進行)。內裝變頻器的電控柜的前后門以及側板所用的鋼板厚度不小于1mm，大面積的通風孔最大直徑或對角線尺寸應不大于12mm。柜體應良好接地。
4 信息監(jiān)控智能化問題
由于變頻調速系統(tǒng)系統(tǒng)比較復雜，設備構成眾多，加強整個系統(tǒng)的信息監(jiān)控并朝著智能化方向發(fā)展勢在必行。
(1) 進行系統(tǒng)狀態(tài)識別。通過系統(tǒng)的運行參數如電壓、電流、運行指令、運動方向、運動速度，輸出力矩以及變頻器內部信息等，對變頻器、制動單元、機械制動器、限位開關、主令控制器、編碼器、等關鍵部位實時進行狀態(tài)識別。可在司機室安裝觸摸式顯示屏，通過下拉式菜單觀測系統(tǒng)的工作情況，一旦工作異常，優(yōu)先顯示故障診斷信息。這樣，操作人員和檢修人員可以全面及時地了解系統(tǒng)的狀態(tài)，并可按提示的故障信息去檢查和維修，達到準確、快速排除故障的效果。
(2) 加強過程控制功能。提供靈活的I/O配置是處理特殊過程控制的前提，變頻器借助PLC或工控機，結合稱重系統(tǒng)、位置測量系統(tǒng)實現自動糾偏、電子防搖、自動尋的、自動定位等功能;通過網絡通信進而實現整個物流過程的自動控制。 |
