基于矢量控制技術的變頻器及其在建工機械的應用

2013-06-06 04:34:04朱建鋒

機電工程技術 2013年6期

朱建鋒，張靜

（1.廣東省機電建筑設計研究院，廣東廣州 510110；2.廣州海瑞克隧道機械有限公司，廣東廣州 511455）

0 引言

近年來，隨著各行業經濟的快速增長，以及節能減排、綠色低碳政策的倡導，變頻技術的應用領域越來越廣泛。2011年，變頻驅動控制技術的應用領域已從傳統制造加工行業拓展到大型提升/起重設備、大功率軋機、電梯行業、樓宇HVAC、無感伺服等行業，產品研發策略也朝著自動化、智能化、專業化和綠色化的方向發展，成為國防、交通、建筑工程、能源、環保和資源利用等國民經濟發展的重要支撐。

建工設備包括有場地平整機械、混凝土機械、鋼筋拉伸機械、起重機械、塔吊和升降機械等，是實現施工機械化的重要物質基礎，同時也決定著工期進度和項目質量等。

1 矢量控制變頻器及其技術的介紹

矢量控制變頻器是一種基于矢量控制技術的智能驅動控制裝置，具有感知、分析、推理、決策和控制的功能模塊；通過技術手段提高裝配設備的安全等級，實現電子數字保護；在操作過程中實現緩啟、緩停，確保啟動平穩，精確度可達到毫米級；采用無線呼叫系統和GPS 定位，確保信息互通和有效管理。技術方面引入無速度矢量控制策略以及智能控制技術，使其具有較快的動態響應，先進的電流限制技術和硬件優化設計，能保證在負載頻繁波動的情況下，變頻器也不會跳閘。通過此方式對普通塔吊、浮吊進行變頻改造，可以為塔吊、浮吊和升降機帶來良好的性能及節能效果。目前，矢量控制變頻器已經應用到石油、化工、冶金、高檔電梯、數控機床等工業產業領域。其中主要涉及以下幾個關鍵技術。

1.1 矢量坐標變換技術

矢量坐標變換技術[1]是將異步電動機的定子電流矢量分解為產生磁場的電流分量（勵磁電流）和產生轉矩的電流分量（轉矩電流）分別加以控制，并同時控制兩分量間的幅值和相位，即控制定子電流矢量。在此基礎上，結合電機參數，計算轉子磁鏈的位置，對交流電機解耦，使運行控制直流電機化。其過程框圖如圖1。

圖1 矢量坐標變換技術框圖

1.2 轉子磁鏈位置的識別技術

正像交流異步電機的“異步”定義的那樣，它的轉子機械轉速并不等于轉子磁通轉速，這就是說不能通過位置傳感器或速度傳感器直接檢測到交流異步電機的轉子磁鏈位置。轉子磁鏈位置在交流異步電機矢量控制中是一個非常重要的參數，沒有它就不能進行Park 變換和逆變換[1]，轉子磁鏈位置識別技術的優劣關乎矢量控制的性能。對于有PG矢量控制的轉子磁鏈位置計算，主要是如下公式（1）和（2）來計算：

1.3 基于MRAS和IIR的無速度傳感器磁通和轉速的識別與控制技術

采用矢量控制技術可解決傳統交流調速難題，使交流電機按直流電機控制規律來進行控制。電機磁通和轉速的識別與控制技術通過CLARK變換、park變換及反park變換[1]得到α，β軸的輸出電壓；之后采用MRAS技術由α，β輸入電壓和電流，獲得α，β軸磁通；最后利用微分技術和IIR濾波技術，獲得識別轉速，包括轉差和轉子轉速。無速度傳感器的矢量控制技術可以省去速度傳感器，將使相應的交流調速系統變得更簡單、廉價和可靠。其模型如下，控制框圖如圖2。

電壓模型：

電流模型：

圖2 數學模型

1.4 模糊識別的死區補償技術

通過對三相電流快速采樣，獲得三相電流大小與極性；根據電流大小和極性，由模糊識別，選用不同的電流幅值比較，確定補償或不補償，進而獲得不同的PWM 死區補償量；由SVPWM 正常發波的占空比，加上或減去死區補償量，獲得最終的PWM占空比，實現死區補償。

1.5 電機參數辨識技術

在異步電機無速度傳感器矢量控制系統中，控制的性能嚴重依賴于電機參數的準確性，其對磁場定向的準確性與解耦控制的性能影響很大。通過電機參數識別技術[2]，可準確識別電機參數，提高矢量控制下的控制性能和控制精度。

2 產品技術的創新點

以ALPHA6000S產品介紹其技術上的創新點。

2.1 磁通制動

磁通制動的原理是通過增加電機磁通的方法加快電機減速，此時電機制動過程中的電能轉化為熱能，使能量消耗在電機內部，改變了傳統的電機制動需匹配制動單元和制動電阻的現狀，實現了電機的快速制動，減小由于電機慣性對產品品質的影響。

2.2 防堵轉處理

通過電流矢量技術，可對電流實時動態進行偵測和控制，當檢測到負載轉矩過大，電機堵轉時，矢量控制變頻器會自動適當提高輸出轉矩，嘗試重新啟動。這樣就解決了電機突加負載時引起電機堵轉，而迫使生產停工或返工的問題。

2.3 瞬停處理

利用能量回饋技術，當遇到突發停電狀況，矢量控制變頻器會及時響應，通過電機旋轉能量控制電機減速，從而達到繼續維持運行的目的。此功能有效地控制了在電網掉電時電機不受控的狀況，同時，在瞬時跳閘期間及復電后，保證了電機的連續運行，真正實現了電網跳閘時變頻器的無跳閘運行。

2.4 預勵磁技術

起動問題自電機誕生之日起就是業界研究的重點之一。電機常規起動時輸出轉矩小而起動電流大，對電網、電機拖動的負載及自身絕緣均造成損害。而當采用矢量控制變頻調速時，需要開關器件的裕量足夠大，卻由此帶來了成本問題。而預勵磁技術有效地解決了該問題，此技術基于間接矢量控制的思想，預先在電機起動之前建立磁場，將轉子磁鏈定向在電機某相繞組的中心線上，而起動時轉換到常規矢量控制算法，從而實現了起動過程中勵磁子系統和轉矩子系統的動態解耦，電流平滑過渡且輸出轉矩響應快，避免了以往任何起動方式中的電流尖峰現象發生。

2.5 轉子磁鏈位置估計技術

在轉子磁場定向的異步電機矢量控制系統中，轉子磁鏈的準確估計至關重要。如果轉子磁鏈的估計不準確，轉子磁場定向控制系統應有的優點，即實現轉矩和磁通的解耦控制將無法實現。因此，轉子磁鏈估計模型的選擇非常重要。常用的磁鏈估計方法有很多種，如電流模型法é、電流模型法ê、電壓模型法等等，但各種磁鏈估計模型要求不同的輸入量，并各有其優缺點。本產品[3]從轉子磁場定向的無速度傳感器異步電機矢量控制系統要求出發，實現一種改進的電壓型轉子磁鏈估計模型。

2.6 自動平層技術

傳統的升降機靠操作工來回調整來平層，這種平層方式效率低，誤差大，且有機械沖擊。矢量控制變頻器采用位置編碼器實時監測轎廂的當前位置，對剩余距離進行計算，以S 曲線停靠平層。制動時按照運動控制學原理采用獨待的算法，既能保證平滑的S 曲線，又能根據剩余距離實時調整，無需爬行段，真正實現零速平層。這種自動平層方式效率高，精度高，無機械沖擊，又能保證一定的舒適性。

2.7 無線呼叫技術

各樓層客戶端通過無線發射器發出樓層呼叫信號。矢量控制變頻器通過無線接口，接收到樓層信號以后，按照樓層呼叫的先后順序，用鍵盤輪流/依次顯示該樓層號碼。轎廂控制人員根據顯示的號碼，優先選擇需要到達的樓層號碼；一旦到達該樓層，則該樓層對應的號碼消失，直到下次再次呼叫，并排隊顯示。在轎箱控制人員不干涉的情況下，根據自身計算的樓層停靠距離，準確到達樓層。

3 矢量控制變頻器在建工機械的應用效果

3.1 對升降機設備的應用效果改善

通過感知、決策、執行等智能化應用，突破了原有的工作模式，大大提高了生產效率。表現如下。

（1）荷重保護智能化，產品帶有轎廂荷重保護，貨物裝載后會有重量感應，確保承重量在安全范圍。如果超過承重范圍，系統會自動出現超載提示，徹底消除了安全隱患。

（2）平層數字化，傳統升降機的選平層是由司機靠目測手動控制實現的，效率低，經常要上、下點動幾次才能準確停層。既降低了效率又增大了拖動與控制系統的疲勞度，縮短了壽命。而采用變頻選平層使整個系統實現了簡單化，通過人機操作界面選擇停靠平層，由系統自動測算距離，保證停靠位置的準確性。

（3）無線呼叫功能。客戶端通過無線發射器，發出樓層呼叫信號。變頻器通過無線接口，接收到樓層信號以后，按照樓層呼叫的先后順序，用鍵盤輪流/依次顯示該樓層號碼，無需人工傳達。

3.2 對塔吊設備應用效果的改善

變頻器的平穩起動及制動特性減少了機械沖擊，降低了結構損耗；且起動電流較小，在頻繁起動與制動中減少電機熱損，延長電機壽命[4]；變頻器自身也是高可靠性的通用標準設備，故障率極低，通過引入變頻器后整機的故障率降低，維護量減少，最終提高作業效率。尤其是變頻器的無極調速技術有效地解決了機構的傳動沖擊，延長了齒輪、滾輪、軸承、齒條的使用壽命。由于變頻系統具有限流的功能，降低了電機啟動時對電網的沖擊電流，緩解了用電設備間的相互影響，電纜載流能力大大提高[5]。表現如下。

（1）速度反饋信號。由旋轉編碼器采集，經PG卡直接送入變頻器參與閉環控制。

（2）起行程信號。在起升、抓斗及變幅等各個機構上設有超行程限位開關，其信號全部送入PLC，在超行程信號時發出指令讓相應的機構停止動作，以防失控損壞設備。

（3）制動單元及制動電阻。起升及抓斗電機在負荷下降時，重物的勢能將轉化成為電能，再由變頻器附加的制動電阻將此電能轉變為熱能耗散掉，以達到平穩制動的目的。旋轉及變幅電機也附加了制動電阻，作為減速過程中的制動手段。制動電阻是通過制動單元接入變頻器的，制動單元能夠根據需要自動投入和切除制動電阻。制動電阻安裝在控制柜外專門的電阻安裝支架上。

（4）防誤操作功能。瞬間加速防誤操作，當操作人員瞬間將某個機構從零速推進到最高速時，變頻器將不立即響應此操作，而是按正常設定以允許的最大加速度升速。快速反向防誤操作，當操作人員將某個機構從一個方向的高速運行快速切換到反方向運行時，變頻器將不立即響應此操作，而是按正常程序減速停機，待獲得零速反饋后再進行反向啟動。行程防誤操作，當操作人員不慎使起升及抓斗或者變幅機構超越正常行程，PLC 將立即發出該機構的緊急停止指令，同時封鎖該方向的操作，反方向操作將在操作器復零時激活，以便機構退出超行程位置。

3.3 產品的節能降耗效果

（1）節能效果顯著。由于矢量控制變頻器工藝方法的改進，也減少電機的投入量，功率可降低三分之一左右。與傳統產品相比，能耗卻下降了50%，因為在下降時，電機無須供電。如欠壓、過壓、過轉矩、過電流保護等，使整個電控系統的可靠性、安全性得到保證。由于系統為零速制動，制動器無相對轉動摩擦，所以使用壽命理論上為無窮大，實際上至少延長十幾倍。

（2）降低成本。通過矢量控制變頻器對塔吊、浮吊和升降機機型改造，可降低維修費用，同型號非調速升降機，每年至少要更換四次齒輪和制動盤以及若干個接觸器，此項費用至少為25 000 余元。而且要占用工作時數。用此項技術，齒輪可少換50%，齒條壽命延長一倍，制動器使用十年，年可節約維修費20 000元。

采用先進的矢量控制技術對塔吊、浮吊、升降機電力拖動系統進行技術改造，不僅增強了設備的安全與可靠性，而且為企業和社會節省了大量的電能，因此在建筑行業具有很好的推廣應用價值。