橋吊吊具電纜控制系統變頻調速方案設計

胡斌杰+趙志森+張乾能

當前，吊具電纜全變頻閉環控制驅動方式在橋吊中得到越來越廣泛的應用。變頻調速技術具有功率因數高、啟制動快速平穩、調速性能好、維修保養方便、節能等優點，適用于小功率驅動機構且效果較好。…目前，大功率變頻調速技術已基本成熟，只要選用成功使用范例的產品，正確設計橋吊吊具電纜控制系統變頻調速方案，就能確保其可靠性和安全性。本文介紹一種橋吊吊具電纜控制系統變頻調速方案，以期為橋吊吊具電纜控制系統改造提供一定參考。

1變頻調速原理

由電機學理論可知，三相交流異步電動機的同步轉速為

n=60/fP （1）

式中：n為同步轉速，r/min；f為電源頻率，Hz；P為磁極對數。

轉子在電磁力作用下轉動，其轉速（電動機轉速）為

式中：n_M為轉子轉速，r/min；S為轉差率。

由式（2）可知，可以通過改變三相交流電動機的磁極對數、轉差率或電源頻率來改變電動機轉速，也就是通常所說的變極調速、變轉差率調速和變頻調速。

變極調速的缺點明顯：電動機的轉速呈非連續性階躍式變化，所以調整范圍較小，且接線復雜。

變轉差率調速的方法包括定子電壓調速、轉子串電阻調速和串級調速。定子電壓調速指改變加在定子繞組上的電壓，負載轉矩對應不同的電源電壓，可獲得不同的工作點，從而得到不同的轉速；其優點是電動機的調速范圍較大，缺點是低壓時機械特性太軟，轉速變化大。轉子串電阻調速指在轉子中串入電阻，所串的電阻越大，運行段機械特性的斜率越大，主要用于中小容量的繞線式異步電動機；其優點是方法簡單，缺點是損耗大。串級調速指在轉子電路中串入與轉子電勢頻率相同的三相對稱的附加電勢，通過改變其大小和相位來調節電動機轉速；其優點是效率較高，能實現無級平滑調速，缺點是功率因數較小。

變頻調速通過改變電源頻率來改變電動機轉速，但單純的頻率改變會導致磁通太弱或太強，從而影響電動機的運行性能；因此，需要協調控制頻率和電壓來保證變頻調整時磁通不變。

三相異步電動機定子每相電動勢的有效值為式中：E_g為氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值，V；f₁為定子頻率，Hz；N_s為定子每相繞組串聯匝數；K_N為定子基波繞組因數；φ_m為每極氣隙磁通量，Wb。

由式（3）可知，在從基頻向下調節頻率f₁的同時也降低相應的電動勢E_g，則可在變頻時保持φ_m不變。由于E_g難以直接控制，故用與其相近的定子相電壓來替代，從而實現調速。在基頻以下，磁通量恒定時轉矩也恒定不變，故這種調速稱為恒轉矩調速。在基頻以上，由于頻率已超過基頻，而定子電壓卻不可能超過額定電壓，此時磁通量無法保持不變，只會與頻率成反比降低，其電動機轉速加快，轉矩減小，故這種調速稱為恒功率調速。

從上述兩種調速的特性來看：基頻以下調速可用于吊具電纜緩慢上升時，此時需較大轉矩以卷起電纜；基頻以上調速可用于吊具電纜快速下降時，此時電纜無需較大轉矩，但要求速度較快。

一方面，變頻調速具有平滑無級調速、調速范圍大、效率高等優點；另一方面，電動機的啟動電流小且啟動轉矩大，能適應頻繁啟制動場合，系統穩定性好。因此，變頻調速在工業領域的應用廣泛。當然，變頻調速也有缺點，主要表現在系統較復雜、成本相對較高等方面。

2變頻器控制方法

變頻器利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，常用的控制方法有V/f控制、轉差頻率控制、矢量控制、直接轉矩控制等。

V/f控制通過控制變頻器輸出電壓與輸出頻率的比值來控制轉矩，該控制方式結構簡單且機械特性較硬。這種變頻器一般采用開環控制方式，控制性能不佳，且低頻時調速性能下降，穩定性差，要進行轉矩補償，以改變低頻轉矩特性。

轉差頻率控制指在V/f控制的基礎上，在控制系統中安裝速度傳感器，甚至增加電流反饋，以便控制頻率和電流，從而達到控制轉矩的目的。該控制方式是一種閉環控制方式，與開環的V/f控制相比，系統的加減速特性和穩定性均得到提高，對過電流的限制效果較好。

矢量控制指以矢量坐標電路來控制電動機定子電流的大小和相位以及勵磁電流和轉矩電流，從而控制電動機轉矩。該控制方式具有動態響應速度快、啟動轉矩大、調速范圍大的優點；但其實時性不太理想，控制精度也會因計算精度的不同而有較大差別。

直接轉矩控制指通過檢測電動機定子電壓和電流，利用空間矢量、定子磁場定向分析，計算出電動機的磁鏈和轉矩，并與給定值比較得出差值，從而實現對電動機轉矩的直接控制。

3橋吊吊具電纜控制系統變頻調速方案

對橋吊吊具電纜控制系統來講，采用變頻調速須滿足以下技術要求：（1）為保證吊具電纜控制系統在低頻時能帶動電纜移動，必須確保其在低頻時有足夠的輸出轉矩，即在低頻時應保持恒轉矩輸出；（2）橋吊吊具在上升與下降及重載與空載時的速度不一致，因此，電纜的調速范圍必須包含吊具所有可能的速度；（3）吊具電纜的跟隨性要好，即電纜的收放速度必須與吊具上升和下降的速度保持一致。要解決上述問題，必須合理選擇變頻器控制方式，同時，還需要計算變頻器容量，匹配合適的制動電阻。

變頻器額定電流與電動機額定電流I，最大轉矩與電動機額定轉矩比K₁，變頻器過載能力K₂（一般取1.5）及余量K₃（通常取1.2）有關，一般通過以下公式來確定，即

本文采用的變頻器為西門子6SE70234EC61 ZG91（15 kW），該系列變頻器具有矢量控制、V/f控制等多種控制模式。選用直接轉矩控制模式來控制變頻電動機，以確保系統有較大的調速范圍和啟動轉矩，使其在低頻時能輸出足夠的轉矩。在直接轉矩控制模式下，使用增量型編碼器實現閉環控制，與可編程邏輯控制器拾取的吊具提升的高度和速度作比對并得出差值，進而不斷調整電纜速度，以保證能隨吊具的速度變化來收纜和放纜，確保其有良好的跟隨性。

同時，控制系統采用變頻調速方式：當頻率在基頻（50 Hz）以上調速時，其為恒功率調速，使電動機轉速加快，吊具電纜收放速度加快，以使其與吊具空載速度保持一致；當頻率在基頻（50 Hz）以下調速時，其為恒轉矩調速，保證低頻時輸出的轉矩足夠使用。橋吊吊具電纜控制系統變頻調速原理如圖1所示，橋吊吊具電纜變頻器接線如圖2所示。

通過可編程邏輯控制器對電纜變頻電動機進行變頻調整。要實現變頻調速控制功能，還須對變頻器進行參數設置，部分基本參數設置見表1。

4結束語

橋吊吊具電纜控制系統變頻調速技術具有平滑無級調速、調速范圍大、效率高、系統穩定性好等優點，在工業領域的應用廣泛；不過，該技術也存在系統較復雜、成本相對較高等缺點。橋吊吊具電纜控制系統變頻調速方案設計可為橋吊吊具控制系統可編程邏輯控制器程序設計打下基礎，并為橋吊吊具電纜控制系統改造提供一定借鑒。