【正文】 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 ”。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。 變頻器的用途 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。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。 （ 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。 變頻器的基本機(jī)構(gòu) 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。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。 變頻器的控制電路 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)電路等幾個電路部分，這些電路構(gòu)成了變頻器的核心部分?？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 ]。 P WM 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。 欲得到 SP WM 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。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。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。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。 根據(jù)以上介紹的 S PWM 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 SP WM 波形。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)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。 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。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。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。 矢量控制 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) 13 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。 轉(zhuǎn)差率控制 轉(zhuǎn)差率控制的思想是使控制系統(tǒng)形成一個反饋閉環(huán)，使得轉(zhuǎn)速變化率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升、下降。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)。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。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。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。中兩種接法可使得電動機(jī)級對數(shù)減少一半。 14 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。 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。如表 變頻 調(diào)速和串電阻調(diào)速的對比。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。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)奈恢蒙稀? 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。 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。 圖 31 橋式起重機(jī) 總體設(shè)計(jì)方案 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)（ P LC）、變頻調(diào)速系統(tǒng)組成。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。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 [1 0 ]。再經(jīng)由 P LC 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。 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)。一般來說都選擇功率大一級的變頻器。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。為了確保起升機(jī)構(gòu)起到時(shí)有足 19 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。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。 P L C 變 頻 器 交 流 電 機(jī)旋 轉(zhuǎn) 編 碼 器+n 圖 33 電機(jī)速度控制系統(tǒng) 起升機(jī)構(gòu)。需求高的轉(zhuǎn)速以及起制動的控制精度，并且對轉(zhuǎn)矩控制有嚴(yán)格的要求。旋轉(zhuǎn)編碼器的信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換將信號反饋給 P LC來避免吊鉤的下滑。變頻器的選擇，應(yīng)以選擇變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動機(jī)的額定電流、負(fù)載率和變頻器的運(yùn)行效率為依據(jù)。 如圖 34 所示。為了保證起重機(jī)的正常工作，還配備了一些附屬設(shè)備，如輔助照明設(shè)備、供電設(shè)備等。 ，貨物提升下降及大小車運(yùn)行時(shí)放置突如其來的沖擊對機(jī)體造成過大的沖擊而損壞橋式起重機(jī)。 ，避免過大的電流與轉(zhuǎn)矩沖擊而造成起重機(jī)橋架的抖動。 、多機(jī)構(gòu)同時(shí)工作的要求，對電氣傳動的同步性有較高的要求。 過程，確認(rèn)各裝置無故障后才實(shí)現(xiàn)對橋式起重機(jī)的操作。 ，防止橋式起重機(jī)運(yùn)行中突然斷電而造成事故 本文中車間采用的橋式起重機(jī)參數(shù)： 起重量：主鉤起重量 50t，副鉤起重量 10t 跨度： 提升高度：主鉤提升高度 19m，副鉤提升高度 21m 運(yùn)行速度：小車運(yùn)行速度 50m/min，大車運(yùn)行速度 110m/min 提升速度： 15m/min 通電 持續(xù)率： 60%（作時(shí)間與周期時(shí)間之比，金屬冶煉屬于特重級工作類型，經(jīng)常在重負(fù)荷下工作）。正確的選擇電動機(jī)功率的原則，應(yīng)當(dāng)是在電動機(jī)能夠勝任生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載的要求的前提下，最經(jīng)濟(jì)合理的決定電動機(jī)的功率。電動機(jī)的發(fā)熱，是由于在實(shí)現(xiàn)能量變換過程中在電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生損耗并變 成熱量使電動機(jī)的溫度上升 [1 2 ]。主要反映在輸出力矩、功率因數(shù)、電機(jī)溫升、效率、噪音及振動等方面。同時(shí)由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電機(jī)可以避開共振點(diǎn)，解決 了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問題?，F(xiàn)在國內(nèi)推出的變頻專用電機(jī)由普通電機(jī)加獨(dú)立風(fēng)扇組成，以解決電機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電機(jī)過熱問題 [1 3 ]。在 gt 時(shí)間，電動機(jī)溫度有所上升來不及達(dá)到溫度值，而 0t 期間，溫升也來不及下降到 0 。屬于這類工作制的生產(chǎn)機(jī)械有起重機(jī)、電梯、軋鋼輔助機(jī)械等。普通電機(jī)與變頻電機(jī)在不連續(xù)工作狀態(tài)下特性基本相同，在連續(xù)工作是要考慮冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)變頻驅(qū)動特效比變頻電機(jī)差。 變頻電機(jī)一般采用 4 級電機(jī)，其優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)有最好的功率因素和較高的工作效率，使得能耗降到最低。因此起重機(jī)采用 4 級電機(jī)有強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻電機(jī)。一般都有 ja PP? ，電動機(jī)的容量 P 有 msaj pPP ?/)( ?? （ 31） 其中： ms? 電動機(jī)平均起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) 24 起動時(shí)間短是橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)荷特點(diǎn)，啟動時(shí)間占等速運(yùn)動時(shí)間的極小的比例；轉(zhuǎn)動量少，占額定起升轉(zhuǎn)矩的 10%～ 20%。 通過上述選用橋式起重機(jī)的電機(jī)參數(shù)如下表 所示 ： 表 電動機(jī)參數(shù) 主鉤 副鉤 大車 小車 電機(jī)型號 YZR250M18 YZR200L8 YZR160M16 YZR160M16 功率因數(shù) 30kW 15kW 2 變頻器的選用 交流電機(jī)的控制遠(yuǎn)比直流電機(jī)的控制復(fù)雜的多。 一般來說起升機(jī)構(gòu)的平均起動轉(zhuǎn)矩近似為額定力矩的 ～ 倍。 25 PKgvCKPMpMCN ????? c os1000c ??? （ KVA） （ 33） 其中： ?cos 電機(jī)的功率因數(shù)， ?? P 起升額定負(fù)載所需功率， KW M? 電動機(jī)效率， M? = CNP 變頻器容量， KVA K 系數(shù)， K =2 通過負(fù)載功率計(jì)算得到起升機(jī)構(gòu)變頻器容量的數(shù)據(jù)，在變頻器功率選定的基礎(chǔ)上一般都選擇高一等級的方法選擇變頻器容量。m ? 2GD 總轉(zhuǎn)動慣量對電動機(jī)軸的折算值， kg18