起重機(jī)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中電子變頻器性能優(yōu)化與調(diào)試策略研究

【關(guān)鍵詞】起重機(jī)；電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)；電子變頻器；性能優(yōu)化；調(diào)試策略

一、電子變頻器性能分析

（一）電子變頻器基本原理

電子變頻調(diào)速系統(tǒng)是起重機(jī)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，它能根據(jù)起重機(jī)不同工作狀態(tài)的要求，對電動機(jī)的速度、轉(zhuǎn)矩進(jìn)行調(diào)節(jié)。起重機(jī)電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)能根據(jù)吊車的負(fù)載情況，準(zhǔn)確地調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，使其運(yùn)動更順暢，效率更高。其中包含的變頻調(diào)速裝置是一種能把固定頻率的電源輸入變換成頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的功率調(diào)節(jié)裝置。另外，逆變器則是將直流電源轉(zhuǎn)換成頻率可調(diào)、電壓可調(diào)的交流電源的裝置，為電動機(jī)提供電力。該逆變器由IGBT、MOSFET等高頻開關(guān)器件及控制電路構(gòu)成，可精確控制電流、電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

變頻調(diào)速系統(tǒng)在起重機(jī)械傳動系統(tǒng)中有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，它具有大范圍的調(diào)速功能，在低轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速之間的切換不需要改變馬達(dá)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，只需要調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率就可以了。其次，變頻調(diào)速系統(tǒng)可通過控制電壓、電流波形使電動機(jī)平穩(wěn)啟停，降低起停沖擊對起重機(jī)及其他設(shè)備造成的損害。另外，變頻調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)效率高，可靠性高，維修方便等優(yōu)點(diǎn)，對提高行車效率、可靠性，減少能耗及維修費(fèi)用具有重要意義。當(dāng)前，變頻器在各種起重機(jī)的電動機(jī)傳動系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，如橋式起重機(jī)，塔式起重機(jī)等[1]。采用變頻調(diào)速，可使吊車平穩(wěn)啟動，精確定位，調(diào)速及負(fù)載控制。同時，本系統(tǒng)還具有過載保護(hù)、過熱保護(hù)、低電壓保護(hù)等多種保護(hù)功能，確保了起重機(jī)的安全運(yùn)行。

（二）性能參數(shù)評價指標(biāo)

起重能力是衡量電子變頻器性能的一個重要指標(biāo)。它是指起重機(jī)吊運(yùn)重物時所能承受的最大載重量。電子變頻器可提供充足的功率及轉(zhuǎn)矩，可使起重機(jī)能快速、穩(wěn)定地升降重物。在實(shí)際應(yīng)用中，由于起重機(jī)種類及作業(yè)環(huán)境的不同，對起重能力的要求也各不相同，一般采用噸位計(jì)量。

調(diào)速范圍是衡量電子變頻器性能的另一重要指標(biāo)。它代表了起重機(jī)電動機(jī)工作時所能達(dá)到的調(diào)速范圍。電子變頻器調(diào)速范圍大，能夠使吊車由低速向高速平穩(wěn)過渡，適應(yīng)各種工作條件。起重機(jī)在吊裝、卸載、吊裝過程中，需要對不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，因此，拓寬調(diào)速范圍對其運(yùn)行與控制具有重要意義。例如，當(dāng)?shù)踯囯妱訖C(jī)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍是0～10米/秒時，慢速精確定位可執(zhí)行1米/秒，高速運(yùn)動可執(zhí)行10米/秒。更寬的調(diào)速范圍意味著起重機(jī)可以更靈活地適應(yīng)不同的作業(yè)要求和工作環(huán)境。

準(zhǔn)確定位能力是衡量電子變頻器性能的一個重要指標(biāo)。當(dāng)起重機(jī)需要將重物精確定位至指定位置時，其準(zhǔn)確的定位能力顯得尤為重要。為了使起重機(jī)能準(zhǔn)確地調(diào)整位置，確保起重設(shè)備的安全高效，電子變頻器必須能提供高精度的頻響和扭矩控制。假設(shè)吊車馬達(dá)傳動系統(tǒng)能精確定位±1毫米，也就是說，該系統(tǒng)能使吊車在1毫米范圍內(nèi)精確控制位置。

這對于一些要求精密定位的作業(yè)（如組裝、精密搬運(yùn)等）具有重要意義[2]。起止時間是衡量電子變頻器性能的又一個重要指標(biāo)。它代表了電子變頻器啟動或停止運(yùn)行所需要的時間。起重機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)過程中，起停操作頻繁，快速啟停對提高起重機(jī)的工作效率和響應(yīng)能力具有重要意義。

二、電子變頻器性能優(yōu)化策略

（一）控制算法優(yōu)化

優(yōu)化電子變頻器控制算法是其性能優(yōu)化的重要途徑，直接關(guān)系到其運(yùn)行效果。起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩控制算法是實(shí)現(xiàn)負(fù)載平穩(wěn)精確控制的關(guān)鍵。采用最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制算法，可有效地提高啟動、加、減速過程的穩(wěn)定性與精度。比如，利用先進(jìn)的矢量控制技術(shù)，結(jié)合反饋信息，實(shí)時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩輸出，使不必要的振動和振動降到最低。為了滿足不同工況對速度的要求，起重機(jī)電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)必須能達(dá)到精確的轉(zhuǎn)速控制。通過對速度控制算法的優(yōu)化，提高了起重機(jī)在高、低、變工況下的響應(yīng)速度及控制精度。例如，采用先進(jìn)的PID控制算法，結(jié)合速度反饋與預(yù)測模型，使速度調(diào)整更平穩(wěn)。對于一些起重操作，如吊裝，堆放等，精確的位置控制顯得尤為重要。因此，對定位控制算法進(jìn)行優(yōu)化，如利用閉環(huán)控制算法，結(jié)合位置反饋系統(tǒng)及高級濾波技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)精密定位與位置控制。除了精確地控制，能量效率也是電子變頻器性能優(yōu)化的關(guān)鍵。通過優(yōu)化控制算法，可有效地提高起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)的能量利用率，減少能耗。比如，通過智能調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷的動態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電能的回饋與回收。

（二）硬件選型和設(shè)計(jì)優(yōu)化

為了最大限度地發(fā)揮電子變頻器的性能，提高其穩(wěn)定性，對其硬件選擇與設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。變頻器作為起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其合理的選型直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能。變頻器的選型要綜合考慮其負(fù)載特性、工作環(huán)境及控制要求。如大功率起重機(jī)在重載、高轉(zhuǎn)速下，必須選用性能好、功率大、可靠性高的變頻器。在起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)中，電動機(jī)也是核心部件，合理選用電動機(jī)并與變頻器進(jìn)行匹配顯得尤為重要。電動機(jī)的選型應(yīng)綜合考慮額定載荷、調(diào)速范圍及效率要求。例如，對于重型吊車，必須選用高轉(zhuǎn)矩、高效率的電動機(jī)，才能保證高負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速下的穩(wěn)定性與精確控制。起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)綜合布線設(shè)計(jì)要考慮供電、信號傳輸、控制等環(huán)節(jié)。合理的配線設(shè)計(jì)能有效地降低信號的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性。例如，為了減少相互干擾，可采用分路設(shè)計(jì)，即將電源線與信號線分開配置[3]。起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)常工作于高溫、高濕、多塵等惡劣環(huán)境中。通過合理的硬件選擇與優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)在惡劣工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，可選用具有防塵、防潮、耐腐蝕等特點(diǎn)的設(shè)備及元器件，并對其進(jìn)行合理的散熱設(shè)計(jì)，以保證其在高溫環(huán)境中運(yùn)行的可靠性。

（三）運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化，是通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，最大限度地提高系統(tǒng)性能，提高能源利用率。首先，電子變頻器輸出頻率對吊車電動機(jī)的速度有很大的影響。例如，對輕型吊車而言，頻率設(shè)定在60Hz時，可獲得高效率、高速度的效果；對于重型吊車來說，把頻率調(diào)到30Hz，就能輸出更大的轉(zhuǎn)矩。在不同的載荷條件下，采用最佳的頻率設(shè)定，可使起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的性能。其次，起重機(jī)起停時的加減速時間對系統(tǒng)的響應(yīng)速度及平穩(wěn)性有很大影響。例如，采用5秒加速、3秒減速等方法，可有效地降低起重機(jī)運(yùn)行時的機(jī)械沖擊及振動，提高起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。再次，在一些起重機(jī)的應(yīng)用中，角度控制是很重要的，例如塔式起重機(jī)的旋轉(zhuǎn)，臂的伸縮控制等。例如，通過調(diào)節(jié)角度控制的加速度及減速度參數(shù)，使加速度設(shè)定在50°/s22，減速度設(shè)定在30°/s2，能夠使起重機(jī)的回轉(zhuǎn)及起重臂的伸縮動作更平滑、更準(zhǔn)確。最后，功率因數(shù)的優(yōu)化能夠降低電能浪費(fèi)，降低成本。例如，若采用功率因數(shù)校正裝置或加裝電容器，并加以適當(dāng)調(diào)整，使功率因數(shù)達(dá)到0.98以上，則可降低無功損耗，提高功率因數(shù)效益。

（四）能效優(yōu)化措施

首先，起重機(jī)電動機(jī)是影響系統(tǒng)能源效率的一個重要因素。選用高效電機(jī)，可減少能耗，提高系統(tǒng)效率與性能。如采用高效三相感應(yīng)電動機(jī)（IE3），其能量效率較傳統(tǒng)電機(jī)提高10%左右。同時，采用多段式、永磁同步電動機(jī)等低轉(zhuǎn)子整流損耗的電機(jī)也可以進(jìn)一步提升能源效率。選擇與之相匹配的電子變換器是實(shí)現(xiàn)能源效率優(yōu)化的關(guān)鍵。其次，優(yōu)秀的變頻器設(shè)計(jì)與控制算法能夠最大限度地提高能源效率。如利用高效率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）及先進(jìn)脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)，可有效降低能量損失，提高轉(zhuǎn)換效率。再次，起重機(jī)電機(jī)在減速時會產(chǎn)生反向電能，能量回饋技術(shù)可將其回饋至電網(wǎng)或其他電機(jī)傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能量的再利用。如利用準(zhǔn)無功電流型逆變技術(shù)，將逆變電能回饋電網(wǎng)，可降低能量損失，提高系統(tǒng)能量效率。最后，采用負(fù)載檢測、智能磁控、睡眠等先進(jìn)節(jié)能控制策略，可在保證吊車正常工作的前提下達(dá)到節(jié)能降耗的目的。比如，根據(jù)實(shí)時負(fù)荷狀況，自動調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率、功率，開啟休眠模式減少待機(jī)功耗等，都能有效地減少系統(tǒng)能耗。

三、電子變頻器調(diào)試策略研究

（一）調(diào)試過程和方法論

在起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)中，變頻器的調(diào)試是保證系統(tǒng)正常工作并優(yōu)化其性能的一個重要環(huán)節(jié)。有幾個準(zhǔn)備工作要做：首先，了解起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及技術(shù)指標(biāo)，包括額定電壓，額定功率，額定轉(zhuǎn)速等。其次，檢查電源及電氣接線情況，確認(rèn)變頻器與電動機(jī)的電源、信號線路是否正確、可靠。另外，要備好必要的測量儀器，如電壓表，電流表，頻譜分析儀等。在實(shí)際調(diào)試前，必須對電子變頻器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定與校驗(yàn)。根據(jù)電動機(jī)的額定參數(shù)及運(yùn)行要求，設(shè)定電動機(jī)的額定電壓，額定頻率，轉(zhuǎn)矩曲線等有關(guān)參數(shù)。同時，對變頻器進(jìn)行標(biāo)定，確保參數(shù)的準(zhǔn)確、一致，從而保證有效的控制效果。電子變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試可分為幾步進(jìn)行：首先，對電動機(jī)進(jìn)行基本的調(diào)試，包括電動機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速控制。然后逐步加載，調(diào)節(jié)速度，觀察馬達(dá)反應(yīng)及工作狀況，檢查有無異常狀況或故障。其次，對電動機(jī)的電流、電壓進(jìn)行調(diào)試，并對其電流、電壓波形進(jìn)行監(jiān)控，以保證其滿足設(shè)計(jì)要求，并能穩(wěn)定運(yùn)行。最后，對速度環(huán)控制、位置環(huán)控制等高級控制功能進(jìn)行調(diào)試，對控制參數(shù)及設(shè)定進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到高精度的運(yùn)動控制與定位。另外，還需要及時排除調(diào)試中可能會遇到一些故障。通過對變頻器及電動機(jī)參數(shù)的設(shè)定、接線及信號輸入的檢查，對故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，逐步找出故障原因并加以排除[4]。

（二）常見問題和解決方案

起重機(jī)電動機(jī)傳動系統(tǒng)在調(diào)試電子變頻器時，會遇到一些常見的故障。在啟動電動機(jī)時，可能發(fā)生電動機(jī)不能啟動或啟動后又立即停機(jī)等故障。這種故障一般由電動機(jī)參數(shù)設(shè)定不當(dāng)或輸入信號受干擾所致。解決的辦法就是檢查并調(diào)試電動機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)，如電壓，頻率，轉(zhuǎn)矩等，確保與變頻器設(shè)定相符。此外，對輸入信號進(jìn)行干擾檢查，如信號線路接觸不良、干擾源等，確保輸入信號穩(wěn)定。

在使用過程中，電機(jī)可能會產(chǎn)生振動、噪聲等，會影響到系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)及工作環(huán)境。其原因可能是馬達(dá)轉(zhuǎn)子不平衡，馬達(dá)安裝松動，馬達(dá)參數(shù)設(shè)定不正確等。解決辦法是對電動機(jī)進(jìn)行動平衡調(diào)試，保證電動機(jī)轉(zhuǎn)子具有良好的平衡性；檢查馬達(dá)安裝狀況，將松動的零件擰緊；同時對電動機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使電動機(jī)的運(yùn)行更加順暢。

電機(jī)在運(yùn)行過程中，存在著轉(zhuǎn)速波動大的問題。其原因可能是電動機(jī)的控制參數(shù)設(shè)定不合理，負(fù)載變化幅度很大，或者電源電壓不穩(wěn)定。如此，則需要重新調(diào)整控制參數(shù)、優(yōu)化轉(zhuǎn)速及位置控制回路參數(shù)；同時，采取穩(wěn)壓措施，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時，過流保護(hù)可能被觸發(fā)，使電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。這通常是由于電動機(jī)負(fù)載過大，電動機(jī)線圈發(fā)熱，或者變頻器輸出電流設(shè)定不當(dāng)所致。解決辦法是檢查電動機(jī)負(fù)載狀況，適當(dāng)減載；加強(qiáng)對電動機(jī)的冷卻措施，例如在電動機(jī)上增設(shè)通風(fēng)設(shè)備或冷卻設(shè)備；調(diào)節(jié)變頻器輸出電流限值，使其在安全范圍內(nèi)工作。

（三）調(diào)試工具和技術(shù)支持

為了更好地完成電子變頻器的調(diào)試工作，適當(dāng)?shù)恼{(diào)試工具及技術(shù)支持顯得尤為重要。變頻器參數(shù)調(diào)試軟件是一類專為電子變頻器調(diào)試而開發(fā)的軟件。此類軟件具有豐富的參數(shù)設(shè)定與監(jiān)測功能，可對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，并對控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。利用此類軟件，調(diào)試人員可方便地設(shè)定變頻器的參數(shù)，實(shí)時監(jiān)控，迅速查找故障點(diǎn)。信號發(fā)生裝置是一種能產(chǎn)生多種電信號的裝置。該信號發(fā)生器可用于電子變頻器調(diào)試時模擬輸入信號，并對其響應(yīng)及性能進(jìn)行驗(yàn)證。例如，通過調(diào)整信號發(fā)生器的頻率、幅度等參數(shù)，能夠模擬出不同工作狀態(tài)下的輸入信號，從而驗(yàn)證變頻調(diào)速系統(tǒng)在不同負(fù)載、頻率情況下的穩(wěn)定性。電動機(jī)的故障檢測與診斷，對電動機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速、溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的故障特征，對故障進(jìn)行診斷與報警[5]。利用故障診斷工具，可對電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時診斷與排除，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。及時的技術(shù)支持對電子變頻調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試至關(guān)重要。由供應(yīng)商或廠商提供技術(shù)支持，可為調(diào)試人員提供專業(yè)指導(dǎo)及解決方案。技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠迅速發(fā)現(xiàn)故障，提出解決方案，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

結(jié)語

本文以起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)為例，探究了電子變頻調(diào)速系統(tǒng)的性能優(yōu)化及調(diào)試策略。未來，筆者將以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步探索更多的優(yōu)化策略及調(diào)試方法，使其更可靠、更有效地應(yīng)用于起重機(jī)電機(jī)傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其高效、綠色、低成本的運(yùn)行效果。