【文章內(nèi)容簡介】 電動機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速是所帶的負(fù)載都能使電流達(dá)到額定值，就是都能在允許溫升下長期的運(yùn)行，則轉(zhuǎn)矩基本上跟隨這磁通變換，按照電氣傳動原理，在基頻以下，磁通恒定是轉(zhuǎn)矩也恒定，是“和轉(zhuǎn)矩調(diào)速”，而在基頻以上，轉(zhuǎn)速升高是，轉(zhuǎn)矩降低，屬于“恒功率調(diào)速”。 變頻器 在交流異步電動機(jī)的各種調(diào)速方式中，變頻調(diào)速為的性能最好，調(diào)速范圍最廣，靜態(tài)穩(wěn)定性好，運(yùn)行效率較高。采用變頻器對籠型異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)、效益顯著，所以得到廣泛的應(yīng)用。 變頻器的分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照開關(guān)方式分類，可以分為PAM控制變頻器、PWM控制變頻器和高載頻PWM控制變頻器；按照工作原理分類，可以分為V/f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為普通用變頻器、高性能變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器。變頻器在運(yùn)輸業(yè)、石油化工、家用電器、造紙、紡織、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。具體應(yīng)用如高速鐵路、電動汽車、變頻空調(diào)、等。變頻器用途主要如下三方面： （1）調(diào)速：變頻器可把頻率固定的交流電變換成頻率和電壓連續(xù)可調(diào)的交流電。通過變頻器驅(qū)動三相異步電動機(jī)可以平滑的改變轉(zhuǎn)速。 （2）節(jié)能：對風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，通過調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速改變輸出功率，不僅能做到流量平穩(wěn)，減少啟動和停機(jī)次數(shù)，節(jié)電率可達(dá)到20%～60%，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀。 （3）提高自動化控制水平：變頻器內(nèi)置有32位或16位的中央處理器，具有多種邏輯運(yùn)算和智能控制功能，輸出頻率精度高；外部有較多開關(guān)信號或模擬信號和通信接口，控制功能強(qiáng)，并且可以實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)控制。變頻器主要由主電路和控制電路組成，其中主電路包括整流電路、儲能電路、逆變電路三部分。變頻器結(jié)構(gòu)框圖如圖21所示： 圖21 變頻器機(jī)構(gòu)示意圖整流電路的作用是將交流電轉(zhuǎn)換為直流電；儲能電路具有儲能和平穩(wěn)直流電壓的作用，主要原因是變頻器的負(fù)載一般為電動機(jī)，而電動機(jī)屬于感性負(fù)載，運(yùn)行是儲能電路和電動機(jī)之間總會有無功功率。逆變電路的作用是通過三相橋式逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換成任意頻率的三相交流電?？刂齐娐分饕峭瓿蓪δ孀冸娐返拈_關(guān)控制，對整流器的控制以及完成各種保護(hù)功能。變頻器的控制電路包括主控電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路、信號電路和保護(hù)電路等幾個(gè)電路部分，這些電路構(gòu)成了變頻器的核心部分?？刂齐娐返暮脡臎Q定了變頻器性能的優(yōu)劣?？刂齐娐返闹饕饔檬峭瓿赡孀兤鞯拈_關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護(hù)功能[6]?，F(xiàn)在普遍采用的變頻功率開關(guān)器件的控制技術(shù)是70年代后期形成的脈寬調(diào)速（PWM）。PWM中采用的主要理論是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果近似相同。根據(jù)這個(gè)理論，可以用一系列等幅而不等寬的脈沖來近似正弦波，且脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化，這種方法被稱為SPWM。欲得到SPWM的波形需要計(jì)算出SPWM各脈沖的寬度和間隔時(shí)間，按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)的斷，便可得到所需波形，這種方法計(jì)算繁瑣容易出錯。較為常用的方法是采用調(diào)制的方法，即把正弦波作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載被，通過對載波的調(diào)制即可得到SPWM波形。通常采用等腰三角波作為載波，因?yàn)榈妊遣ㄉ舷聦挾扰c高度線性關(guān)系，且左右對稱，當(dāng)它與正弦波調(diào)制信號相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖，這正好符合PSWM控制的要求。三角載波的頻率和正弦調(diào)制波的頻率之比即稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變開關(guān)器件的通斷，可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率即是逆變器的輸出頻率改變便可改變。三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變。三角載波的幅值為恒定，因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積，由此實(shí)現(xiàn)輸出電壓幅值的改變[7]。根據(jù)以上介紹的SPWM逆變電路的基本原理和控制方法，可以用模擬電路構(gòu)成三角波載波和正弦調(diào)制波發(fā)生電路，用比較器來確定它們的交點(diǎn)，在交點(diǎn)時(shí)刻對功率開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，就可以生成SPWM波形。但這種模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展使得用軟件生成SPWM波形變得比較容易。變頻技術(shù)是包含電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的一項(xiàng)綜合性的技術(shù)。變頻技術(shù)和傳統(tǒng)的交流調(diào)速相比，利用變頻器對交流電機(jī)的調(diào)速控制的優(yōu)勢在于節(jié)能、容易實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的調(diào)速控制，可以在大范圍內(nèi)對電動機(jī)進(jìn)行連續(xù)控制，可以實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制，很容易的實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換，可以對電動機(jī)進(jìn)行電氣控制以及對其高速驅(qū)動。采用變頻器電動機(jī)在起動是可以實(shí)現(xiàn)軟啟動，解決了大負(fù)載時(shí)電動機(jī)在啟動時(shí)會有較大沖擊電流[8]。 變頻調(diào)速的控制方法 隨著工業(yè)與自動化程度的提高，電動機(jī)的應(yīng)用越來越多。如何讓電動機(jī)按照希望的方式運(yùn)轉(zhuǎn)、實(shí)現(xiàn)調(diào)速是中多用戶的要求。對于交流異步電動機(jī)，選用合適的調(diào)速控制方式?jīng)Q定這它的工作效率。恒壓頻比（V/F）控制是交流電機(jī)是通過使V/F始終為常數(shù)從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁通通保持不變。由于恒壓頻比系統(tǒng)沒有形成環(huán)路反饋，控制參數(shù)需要根據(jù)負(fù)載的不同來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；又由于此系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩利用率很低，轉(zhuǎn)速動態(tài)特性較差；此系統(tǒng)中存在定子電阻和逆變器的開關(guān)延遲。綜上缺點(diǎn)恒壓頻比控制會出現(xiàn)系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況。 矢量控制是通過坐標(biāo)變換使交流電動機(jī)獲得與直流電動機(jī)相似的數(shù)學(xué)模型，從而可采用類似于直流電動機(jī)的控制方法來控制瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩，使交流調(diào)速系統(tǒng)獲得與直流調(diào)速系統(tǒng)同樣優(yōu)越甚至更加優(yōu)越的動靜態(tài)特性能。但是矢量控制在設(shè)計(jì)是需要了解電機(jī)的參數(shù)，為了減少控制上對電機(jī)參數(shù)的敏感性，需要考慮參數(shù)識別、參數(shù)補(bǔ)償?shù)姆桨?，會起到一定的效果。轉(zhuǎn)差率控制的思想是使控制系統(tǒng)形成一個(gè)反饋閉環(huán)，使得轉(zhuǎn)速變化率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升、下降。轉(zhuǎn)差率控制與開環(huán)的V/F控制相比，該系統(tǒng)的加減平滑，閉環(huán)的結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。但是轉(zhuǎn)差率控制存在著動態(tài)電流相位的延時(shí)會影響系統(tǒng)的實(shí)際動態(tài)響應(yīng)。變級對數(shù)控制，在電源頻率不變的條件下，改變電動機(jī)的磁極對數(shù)，可以改變電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速的控制方法成為變級調(diào)速。當(dāng)磁極對數(shù)減少一半，同步轉(zhuǎn)速就提高一倍，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也提高一倍。通常用改變定子繞組的方法來改變磁極對數(shù)，這種電機(jī)稱為多速電動機(jī)。但是異步電動機(jī)定子變級調(diào)速的轉(zhuǎn)速大約是成倍變化的，因此系統(tǒng)的平滑差。這種電動機(jī)每個(gè)轉(zhuǎn)速等級運(yùn)行有較硬的機(jī)械特性，其穩(wěn)定性好，對于不需要無極調(diào)速的生存機(jī)械，多速電動機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。如今我過多級電動機(jī)定子繞組聯(lián)繞方式一般有兩種：一種是從星形改成雙星形，寫成YY/Y。另一種是從三角形改成雙星形，寫成△/YY。中兩種接法可使得電動機(jī)級對數(shù)減少一半。在該接繞組時(shí)，為了使電動機(jī)轉(zhuǎn)向不變，應(yīng)把繞組的相序改接一下。 直接轉(zhuǎn)矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等量來間接控制轉(zhuǎn)矩，而是把轉(zhuǎn)矩直接作為被控矢量來控制。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩控制定子磁鏈，并能實(shí)現(xiàn)無傳感測速[9]。 傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速和變頻器調(diào)速的比較 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，用交流接觸器或者可控硅進(jìn)行電阻切除從而達(dá)到調(diào)速的目的，這樣的調(diào)速方式在起動、換擋是會產(chǎn)生較大的沖擊電流，大量的電耗在電阻上，造成能源的極大浪費(fèi)，并且在減速與低速運(yùn)行過程中主要依靠工作閘來控制，對閘瓦磨損比較嚴(yán)重，需要經(jīng)常更換，增加維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)提升系統(tǒng)的安全性也受到了極大的影響。由于變頻器具有軟啟動、軟停止的功能，對閘瓦的磨損較小，加減速平穩(wěn)，安全性高，且四象限運(yùn)行節(jié)能效果顯著等優(yōu)點(diǎn)，因此采用變頻調(diào)速為最佳方案。名稱變頻器串電阻調(diào)速精度高低沖擊電流小大加減速平穩(wěn)波動大節(jié)能效果平均節(jié)能20%不能節(jié)能閘瓦磨損較小嚴(yán)重維護(hù)費(fèi)用低高安全性高低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單復(fù)雜故障率低高發(fā)熱量小大觸頭氧化無嚴(yán)重停車位準(zhǔn)確不準(zhǔn)確機(jī)械震動小大控制線路簡單復(fù)雜 第3章 橋式起重機(jī)頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 橋式起重機(jī)是減輕笨重體力勞動，提高作業(yè)效率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的起重運(yùn)輸設(shè)備。橋式起重機(jī)能在一定范圍內(nèi)垂直起升、水平移動物品，具有動作間歇和作業(yè)循環(huán)性的特點(diǎn)，起重機(jī)可按主要用途和結(jié)構(gòu)特征分類，按主要用途可分為通用起重機(jī)、建筑起重機(jī)、冶金起重機(jī)、鐵路起重機(jī)、造船起重機(jī)、港口起重機(jī)、甲板起重機(jī)等。本文主要闡述的橋式起重機(jī)為電動雙梁的橋式起重機(jī)。在電氣控制系統(tǒng)中,其供電一般是通過電纜卷筒將電源輸送到中心電器上,起重機(jī)機(jī)為低壓供電系統(tǒng),電氣控制部分集中在操作室和電氣房內(nèi),安全保護(hù)裝置裝在在適當(dāng)?shù)奈恢蒙?。?shí)現(xiàn)貨物升降的裝置是起升機(jī)構(gòu)，通常是由驅(qū)動裝置、取物裝置和鋼絲繩卷繞系統(tǒng)組成的，除此之外根據(jù)工作的需要還有其他輔助裝置，如高度限位器、超載限位器。構(gòu)成橋式起重機(jī)的主要金屬結(jié)構(gòu)部分是橋架，橋架橫架在車間兩側(cè)的軌道上，并能前后運(yùn)行。除橋架外還有小車、小車上的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，可以帶著吊起的貨物沿著橋架上的軌道橫向運(yùn)動，與垂直運(yùn)動的起升機(jī)構(gòu)成橋式起重機(jī)在立體空間內(nèi)運(yùn)送貨物的功能。橋式起重機(jī)的基本組成部分，由大車驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動橋式起重機(jī)縱向移動；起重小車上載有提升機(jī)，由小車驅(qū)動電機(jī)帶動實(shí)現(xiàn)橫向運(yùn)動；當(dāng)需要提升重物時(shí)，由起重電機(jī)驅(qū)動直上直下的運(yùn)動。通過這三部分的不同運(yùn)動可以實(shí)現(xiàn)對重物橫向縱向和垂直的運(yùn)送，大大的提高了搬運(yùn)貨物的效率同時(shí)減少了對工人的工作量，如圖31所示。 圖31 橋式起重機(jī) 橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由上位機(jī)（工業(yè)觸摸屏系統(tǒng)）、下位機(jī)（PLC）、變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。大車、小車、主鉤、副鉤電動機(jī)都需獨(dú)立運(yùn)行，大車為2臺電動機(jī)同時(shí)拖動，所以整個(gè)系統(tǒng)有5臺電動機(jī)，4臺變頻器傳動。電動機(jī)得到的可控頻率的交流電源來自變頻器，變頻器是實(shí)現(xiàn)電機(jī)可調(diào)速的關(guān)鍵部件。 在橋式起重機(jī)放下重物的時(shí)候，電機(jī)將受到重物重力的作用，使得電機(jī)處于再生制動狀態(tài)，變頻器的直流回路接收到拖動系統(tǒng)的反饋，使得直流電壓不斷增大，可能損壞變頻器。因此，必須考慮如何消耗變頻器中的直流電流，保持直流電壓在安全范圍內(nèi)，所以系統(tǒng)中需要加入制動電阻來消耗這部分多余的能量[10]。 用旋轉(zhuǎn)編碼器使得電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)形成一個(gè)閉環(huán)的負(fù)反饋，給定的電機(jī)轉(zhuǎn)速經(jīng)由PLC高速計(jì)數(shù)模塊的反饋可知道實(shí)際的轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速相差多少。再經(jīng)由PLC對變頻器輸出三相電壓的改變，從而達(dá)到對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)的目的。如圖32所示。圖32 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖由于運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作頻率較少，為了節(jié)省成本，在調(diào)速中運(yùn)行機(jī)構(gòu)用一臺變頻器，即大車運(yùn)行機(jī)制由一臺變頻器調(diào)控兩臺電機(jī)。在變頻器的選擇中一般以電機(jī)的額定功率為選擇的依據(jù)。一般來說都選擇功率大一級的變頻器。運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)該達(dá)到啟動迅速而平穩(wěn)，啟動時(shí)間應(yīng)該符合時(shí)間需求。機(jī)構(gòu)的電氣制動方式根據(jù)不同工況可選用自由制動方式和強(qiáng)制制動方式。在運(yùn)行機(jī)構(gòu)正常停止時(shí)，可采用自由停止方式，運(yùn)行就夠停止時(shí)間可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定。為了確保起升機(jī)構(gòu)起到時(shí)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，可以采用設(shè)定機(jī)械制動器的打開時(shí)間、運(yùn)行電流、變頻器的最低運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，以求滿足運(yùn)行機(jī)構(gòu)負(fù)載特性的要求。使用這樣的設(shè)計(jì)，變頻器內(nèi)部參數(shù)的設(shè)定能保證機(jī)構(gòu)練好的調(diào)速精度以及起制動性能，由于起升機(jī)構(gòu)電機(jī)需要使用脈沖編碼器為速度的反饋裝置。通過測量脈沖編碼器的脈沖數(shù)，利用二者之差控制電機(jī)的速度，單選擇脈沖編碼器及其安裝時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮周全。如圖33所示。 圖3