變頻調速器設計原理分析

　　一、概述
　　
　　物品提升機械是國民經濟各行業不可缺少的生產設備，在各工礦企業中大量使用，如工廠的行吊、港口碼頭的塔吊、礦井提升機、高爐卷揚機、民用電梯、軋機升降臺、以及油田抽油機等，都是典型的提升機械。這類設備大多采用繞線式電動機作為主驅動，用于提升或下放重物，具有典型的位能負載特性。
　　由于啟動及調速成等方面的需要，通常都是在繞線式電動機的轉子回路串接電阻，從而降低電機啟動電流，并實現電動機的分級調整。這種控制方式帶來如下弊端：
　　1、轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。
　　2、電阻分級切換，實現有級調速，設備運行不平穩，引起電氣及機械沖擊。
　　3、再生發電時，機械能回饋電網，造成電網功率因數低。尤其在供電饋線較長的應用場合，會加大變壓器、供電線路等方面的投資。
　　4、接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點，影響接觸器的使用壽命，設備維修成本較高。
　　5、繞線電動機滑環存在的接觸不良問題，容易引起設備事故。
　　隨著交流電動機變頻調速器的應用和普及，人們已開始淘汰繞線式電動機轉子回路串電阻調速這一落后的調速方式，采用先進的變頻調速技術取而代之，實現了提升機械的平滑調速和節能運行，并將電網側功率因數提高到0.95以上，同時省去了調速接觸器、正反轉接觸器等軟件，完全解決了傳統提升機械的存在的固有缺陷，使設備性能行到極大提高。
　　
　　二、位能負載的調速特性
　　
　　提升機械用于提升或下降位能負載，無論是過平衡或欠平衡配置，必然存在電動和再生發電兩個工作區，繞線式電動機轉子回路串接電阻調速時，通過電阻的分級切換和正反轉接觸器切換，實現有級調速和正反轉控制。其中，工作點１和工作點２為電動狀態，工作點３為能耗制動狀態，工作點４為再生發電機狀態。
　　變頻調速特性為一組平行的曲線，同于變頻器的頻率可以連續可調，因而能夠實現平滑無級調速。圖二中１區為電動區，２區為再生發電區，電能回饋至變頻器的直流側，通過制動組件泄放。
　　
　　三、變頻器的容量選擇
　　
　　提升機械采用變頻器進行控制時，可以遷用鼠籠型電動機，對于原使用繞線式電動機的提升機械，可將繞線式電動機的轉子短接，當作籠型電機使用。常用的電動機為ＹＺ系列鼠籠型電動機和ＹＺＲ系列繞線型電動機，這兩個系列的電動機，都是以工作制Ｓ３及負載持續率40%的定額作為基準定額。電動機的額定值選定后，應選擇相應的變頻器容量。
　　ＹＺ和ＹＺＲ系列電動機的過載力矩一般為2.2—2.8倍，為了充分發揮電動機的負載能力，提高起重設備的安全性能，采用變頻器進行控制后，必須保證變頻器－電動機系統具有2.2—2.8倍的過載能力。由于普通變頻器的過載能力一般為150%一分鐘，瞬態過載力矩只能達到180%—200%，因此必須提高所適配的變頻器容量，以便提高變頻器－電動機系統的瞬時過載能力。
　　由上述可知，只要把變頻器的容量提高20%左右，即可使變頻器—電動機系統的瞬時過載能力提高到2.0—2.4倍，基本滿足要求。因此，應選擇變頻器額定容量為電動機額定容量的120%以上，即把變頻器的容量提高一個等級。如45KW的電動機，應配置55KW的變頻器，且變頻器應具有較大的過載能力，過載率在150%一分鐘以上。
　　
　　四、制動組件的合理選用
　　
　　再生發電時機械能被轉換成電能，回饋到變頻器直流側的電容器上，其結果將使直流回路的電壓升高，當電壓升高到某一設定值（如750V），制動單元自動控制放電用開關管導通，電能向制動電阻上泄放。制動單元動作后，泄放的能量大于回饋能量，直流回路的電墳開始下降，當它下降到某一設一值（如630V），則制動單元自動控制放電用開關管關閉，停止放電。這一充電與放電過程由變頻器和制動組件自動完成，維持直流回路電壓在一個安全的范圍之內。由上述可知，選擇制動組件的基本原則是：
　　1、制動組件的最大瞬時放電能量大于等于最大瞬時回饋能量。
　　2、制動組件的平均放電能量大于等于平均回饋能量。
　　通常，制動組件的最大瞬時放電能力由其放電開關管的額定電流所決定，而平均放電能力則取決于制動電阻的額定功率大小。
　　
　　五、調速控制方法
　　
　　采用變頻調速控制的提升機械仍可使用傳統的速度控制方法，如行吊的速度控制，仍使用傳統的凸輪控制器，不同的檔位給出了上升或下降方向指令和多級速度指令，輸入到變頻器的控制端，實現方向控制和調速。現在已有行吊變頻專用控制器推出，應用它可以簡化控制系統設計，減少故障點。變頻調速器還可提供更為先進的閉環控制方法，如配合工藝實現提升和下降的不同速度運行等。某鋼鐵廠軋機升降臺采用變頻傳動，為了實現電動機與液硬度平衡機構的協調控制，應用先進的控制技術實現了不同平衡力矩下的變速控制，在不增加變頻器容量的情況下解決了液硬度平衡系統的冷起動問題。
　　位能負載條件下的變頻調速系統設計必須以實際負載情況為依據，才能達到節省投資的目的。電動機、變頻器、制動組件的合理匹配是設計的關鍵。本設計方法應用于天車、塔吊、軋機升降臺等多個變頻改造項目中，收到了良好的效果。某集團公司連軋廠20t天車變頻改造，由于設計合理，既節省了投資，又保證了天車的基本運行性能，設備投入運行一年多，情況良好，未發生任何故障。
　　（作者單位：黑龍江省機場管理集團有限公司）