帶能量回饋的橋式起重機變頻控制系統節能研究

王志成

（石橫特鋼集團有限公司煉鋼廠，山東 肥城 271612）

1 橋式起重機負載特點及節能比較

（1）橋式起重機的各類機構都屬于恒轉矩負載。此外，不同機構所具備的特點也各不相同，本文主要以橋式起重機的起升機構為主要研究對象進行分析：提升機構在空間中具有一定的電勢，因此該電勢具有負載的特性。此功能如下：舉起重物時，發動機克服了各種阻力并發揮了舉升功能，這是一種阻力載荷：當載荷下降時，由于載荷本身具有根據重力加速度（勢能）下降的能力，因此，當載荷重量大于傳動機構的摩擦阻力時，載荷的重量（勢能）相等。當功率減小時，電動機成為能量的接收者，因此這是一個功率負載。在傳動的摩擦力過小時，仍然要利用電動機進行下拉。

圖1 機械特性及轉子側能量圖的關系

圖2 轉子功率分配的比較

（2）橋式起重機起升機構調速控制及節能比較：起重機各部分制動系統的速度控制方法很多，其中最常用的串聯電阻是速度控制。如圖1 所示，感應電動機的自然特性是曲線。 當負載扭矩為TL時，工作點為A點。轉子側的能量分配如圖2b所示，可以直觀的看出，采用變頻調速的電動機轉子回路中的能量損耗是很小的。

當異步電動機的轉子回路中串入電阻后，機械特性如圖2a中的曲線②所示。這時，機械特性變軟，在轉矩不變(仍為TL)的情況下，拖動系統的工作點由A 點移至B 點，如圖2a 所示，轉速由n1,下降為n2。功率分配情況的變化如下：

（1）同步轉速n01未變，故電磁功率PM1 與未調速前相同。

（2）電機軸上的轉矩為n2，輸出功率PL 將隨之下降。

（3）電機的功率損耗為：

功率分配如圖2a 右側所示。可以看出，電磁功率中功率損耗ΔP 的份額非常大。實際上，由于轉子外電阻中的能量耗散而導致速度降低（或機械功率降低），并且速度越低，機械特性越軟，電磁功率中的功率損耗份額就越大，這導致增加經濟支出。上述問題可以看出，提升速度控制器選擇了變頻調速，并把電機再生能力反饋電網，將功率損耗ΔP 降低到最小值，是最經濟的運行方式。

2 能量回饋單元設計

為了充分利用再生能源，基于SA4828 正弦波PWM 發生器的新型功率反饋控制系統用于將再生能量反饋到電網中，分析了該系統的組成和工作原理，并結合SA4828 的功能特點，提出了一種用于能量反饋控制系統的微處理器控制系統的設計方法。SA4828 的使用使整個系統設計簡單，供電電流諧波低，并且在節能方面很明顯，具有較好的應用前景。

2.1 變頻器帶能量回饋單元的結構

在橋式起重機的起升機構用變頻器上設計了能量回饋單元，將再生能量回饋電網，如圖從而達到進一步節電的目的；設計了基于AT89C51 和SA4828 芯片的能量回饋控制系統軟硬件，構成能量回饋系統微處理器監控單元。

圖3 變頻器帶能量回饋單元的基本原理

2.2 能量回饋系統工作原理

傳統的能量回饋系統（裝置）大多采用模擬控制方式,隨著微處理器技術，以MCS-51 系列單片機ATMEL89C1 為控制核心,結合少量模擬電路,完成回饋電流與電網同步,故障的光報警等功能；這使為網絡供電的過程更安全，更可靠，更直觀并且更易于操作。為了實現低電源沖擊，低電源電流諧波和高反饋效率的反饋過程功能，SA4828 三相正弦波PWM 發生器被用于實現SPWM 逆變器，調制控制電路。當變頻器直流母線上的電壓升高到設定值時（970V）時滯回電路構成的電壓檢測電路便高電平跳變到低電平，向單片機發出外部中斷指令。單片機接收到中斷指令而系統無異常時，便開始對高精度三相PWM 發生器SA4828然后檢查同步電路送來的同步信號，當檢測到一個脈沖上升延時，開始對SA4828 寫控制字，而開始逆變。當直流母線上的電壓降低到設定值（630V）時停止逆變。

2.3 能量回饋單元的關鍵控制部分

2.3.1 同步電路設計

同步是實現有源逆變器的基礎和關鍵。對于具有能量反饋的系統，所謂的同步是使電源電流和電源電壓的反饋以相同的頻率反轉，以獲得平均功率因數的反饋。異步反饋無法觸發任何操作。功率電流增加，導致電網污染在最壞的情況下，這將導致系統中的循環甚至損壞系統中的電源設備。與逆變器不同，電源的功率反饋頻率相對恒定并且在50Hz 附近波動，因此SA4828功率頻率范圍（FRS）參數設置為60Hz，可以提高輸出頻率分辨率。 異步能量反饋分為相位異步和頻率異步。所開發的同步檢測電路，電力系統的交流信號由同步變壓器降壓，并使用由LN1339 比較器和外圍組件組成的過零檢測器對信號進行轉換，并將信號轉換為相同頻率的方波，然后將其提取，生成并發送到微處理器系統進行分析和處理，以獲得有關網絡相位和頻率的信息。逆變器的輸出頻率隨電網變化而變化，更改SA4828 的電網頻率（PFS）設置以實現與電網同步的頻率。計數器重置操作SA4828（CR）觸發兩相SYWM 輸出，以實現使反饋相位與市電同步的目的。

2.3.2 驅動電路設計

現在，高電流和高壓IGBT 已模塊化，并且市場上有許多類型的專用IGBT 驅動模塊。它具有良好的性能，高可靠性和小尺寸。其內部通用電路框圖如圖4 所示，根據額定參數和運行條件選擇相應容量和電壓等級的IGBT 模塊。

圖4 IGBT 驅動電路及保護電路

2.3.3 三相SPWM 控制電路的設計

利用SA4828 就是這樣的一種專用于三相SPWM 信號發生和控制的集成芯片。它即可以單獨使用,也可以與大多數單片機接口。它不僅可以控制PWM 的頻率、方向和幅值,還可以控制PWM 波形輸出。它將取代目前流行的HEF4725、SLE4520、MA818 芯片,成為主流芯片。SA4828 是一種微電路，由英國MITEL 公司開發，專門用于生成和控制三相SPWM 信號。它使用28 個引腳，分為DIP 和SOIC 封裝。它可以連接到大多數單片機或單獨使用。該芯片的主要特性是：全數字控制；與Intel 和Motorola 單芯片微處理器兼容；載波頻率可以達到24 kHz；輸出波調制頻率范圍為0 ～4 kHz；調速分辨率為16 位；穩壓分辨率為8 位；內部ROM 處理3 種類型的附加信號；可以設置死區時間并消除最小脈沖寬；可以實現正向和反向控制；可以單獨調節各相輸出電壓的幅度，以適應不平衡負載；同時會設置看門狗定時器。

利用通過三相SPWM 控制電路設計、驅動電路設計、同步電路設計完成能量回饋系統的基本組成結構，實現三相正弦波PWM 發生器芯片SA4828 實現逆變器的SPWM 調制控制電路，最終實現再生能量回饋電網的目的。

3 結束語

橋式起重機變頻調速系統穩定性好，響應速度快，可靠性高，是理想的起重機交流無級調速系統。高架起重機由變頻器驅動后，整機性能大大提高，包括高效率，良好的功率因數，電動機的機械性能等，在節能效果方面更是效果顯著，尤其是加入能量回饋單元能將重物下放中產生的再生能源回饋電網，從而節約了大量能源。利用SA4828 芯片實現三相正弦PWM 脈沖發生器可以提供高質量、全數字化的三相脈寬調制波形,并能達到精確控制。帶有能量反饋裝置的橋式起重機變頻調速系統性能好，節能效果明顯。它特別適用于匹配和轉換家用水龍頭的電氣系統，符合國家節能減排的發展趨勢，具有很高的經濟價值和廣泛的應用。