港口起重機變頻調速及節能應用探討

本文主要是作者結合多年來對港口機械相關方面的工作經驗，闡述了港口起重機調速系統的發展，變頻調速方案及變頻控制系統節能等三個方面，可供同行參考。

1.調速系統的發展

交流電機結構簡單、價格低廉、運行可靠、維護方便，所以被廣泛應用于生產機械 電力拖動系統作為動力源。但是交流電機的起動特性一直改進甚微，因為在恒壓下直接起動的電流約為額定電流的4～7倍，而轉速要在這么短暫的時間內從零升至額定值必將產生極大的沖擊，導致拖動對象(如傳動機構裝置)嚴重磨損或損壞，在起動瞬間的大電流還會引起電網電壓降低，嚴重時甚至影響電網內其他設備正常運行， 由于電壓突然降低電機本身起動也難以完成，極易造成電機堵轉和燒毀。

防止或減少異步電機起動瞬間大電流沖擊現象，是保障電機良好運行的首要任務。為此，設法使電機起動處于低沖擊或無沖擊且平滑柔和的環境狀態，各種限流起動方法便應運而生。就現今技術水準而言，在諸多電機起動方式中變頻控制為最佳。

變頻調速技術是隨交流電機無級調速需求誕生的。20世紀60年代后半期開始，電力電子器件從SCR(晶閘管)、GTO(門極可關斷晶閘管)、BJT(雙極型功率晶體管)、MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)、SIT (靜電感應晶體管)、SITH(靜電感應晶閘管), MCT(MOS控制晶體管)、MCT(MOS控制晶閘管)發展到今天的I G B T(絕緣柵雙極型晶體管)、HVIGBT(耐高壓絕緣柵雙極型晶閘管)，器件的更新促使電力變換技術不斷發展。從2O世紀70年代開始，脈寬調制變壓變頻(PWM―VVVF)調速研究引起了人們的高度重視，到20世紀8O年代，作為變頻技術核心的PWM模式優化問題引起了人們的濃厚興趣，并得出諸多優化模式，其中以鞍形波PWM模式效果為最佳。自20世紀80年代后半期始，美、日、德、英等發達國家的VVVF變頻器開始投入市場并得到廣泛應用。

2.變頻調速方案

根據不同生產作業方式和不同的電機種類、變頻器型式，可設計出各種變頻調速控制方法。這里僅討論交一直一交(AC―DC―AC)變頻器，至于交一交循環變頻器(AC―AC相控變頻)以及自同步控制逆變器(不論AC―AC方式還是AC―DC―AC方式)，即俗稱無換向器電機，均不加以討論。

2.1 開環控制的通用變頻器三相異步電機變頻調速系統

本控制方案結構簡單，可靠性高。由于是開環控制方式，其調速精度和動態響

應特性不十分理想，尤其在低速區域電壓調整比較困難，不可能得到較大調速范圍和較高調速精度。又由于異步電機存在轉差率，轉速隨負荷力矩變化而變化，即使目前部分變頻器具有轉差補償及轉矩提升功能，也難以達到0.5%的精度要求，所以這種V/F控制的通用變頻器異步電機開環變頻調速方法僅適用于要求不高的場合(如風機、水泵等)。

2.2 無速度傳感器 的矢量控制變頻器異步電機變頻調速系統

兩者的差別僅在于使用的變頻器不同。由于使用無速度傳感器矢量控制的變頻器，可以分別對異步電機的磁通和轉矩電流進行檢測、控制，自動改變電壓和頻率，使指令 值和檢測實際值達到一致，從而實現矢量控制。雖說它是開環控制系統，但卻大大提升了靜態精度和動態品質，轉速精度偏差在0.5%左右，且轉速響應較快。

對生產作業要求不十分高的情形，采用矢量變頻器無傳感器開環異步電機變頻調速方案非常合適，可以達到控制方式簡單、可靠性高的效果。

2.3 帶速度傳感器矢量控制變頻器異步電機閉環變頻調速系統

矢量控制異步電機閉環變頻調速是一種理想的控制方式。它具有許多優點：①可從零轉速起進行速度控制(即超低速亦能運行)，故調速區域寬廣，可達100：1或1000：1的范圍。②可對轉矩實行精確控制。③系統動態響應速度甚快。④電機加速度特性很好等。

2.4 永磁同步電機開環控制變頻調速系統

該方案具有控制電路簡單、可靠性高的特點。由于是同步電機，其轉速始終等于同步轉速N0=60F/P，所以其調速性能只取決于電機供電頻率F，而與負載大小無關(除非負載力矩大于或等于失步轉矩。同步電機失步，轉動會迅速停止)，其機械特性曲線為一根直線，為絕對硬特性。

如果采用高精度的變頻器(數字設定頻率精度可達0.01%)，在開環控制情形下，同步電機的轉速精度亦為0.01%，因為在開環控制方式下，同步電機轉速精度與變頻器頻率精度相一致，所以特別適合多電機同步傳動。

3.變頻控制系統節能

變頻控制系統之所以可節能，是因為變頻器在其中所發揮的作用。變頻器只有在低于工頻運行或從高頻降到低頻過程中才能起到節能的功效 。

3.1 變頻節能

為確保安全生產，設計配用動力驅動的各種生產機械都留有一定的富余量，電機一般不會在滿負荷狀態下運行，因此除要達到額定驅動力要求外，多余的力矩無疑增加了有功功率消耗，造成電能浪費。然而， 加變頻器后就可以需要多少電能給多少，不會產生浪費現象。使用變頻器控制時，功耗隨外負載的變化而變化，也就是說變頻器會自動調整輸出功率，使其在滿足工況的同時達到節約電能的目的。

3.2 電能回饋電網節能

采用變頻器控制，電機改用變頻鼠籠電機，不存在常規控制系統中繞線式異步電動機轉子串電阻耗能的問題，若使用帶能量回饋裝置的逆變系統，就可將貨物下降時產生的能量轉化為電能后反饋電網，更加節能。

3.3 提高功率因數節能

電機由定子繞組和轉子繞組通過電磁作用產生力矩而運轉。繞組線圈對電網而言電抗特性呈感性，電機在運行時吸收大量的無功功率，造成功率因數降低。采用變頻節能調速器后，由于其性能已變為AC―DC ―AC，經整流、濾波、逆變后，線路特性發生了變化，電網回路的感抗減小，功率因數提高，明顯減少了無功損耗。

3.4 低功耗安全控制節能

采用變頻控制后，由于變頻電機不存在轉子外接線問題，變頻器本身保護功能很強，變頻器一旦檢測到所控電機回路有對地漏電、匝間短路、三相輸出不平衡，變頻器立即保護停機，并報故障原因，不僅消除了安全隱患，而且不會因漏電、缺相、短路保護不可靠而造成電能損耗。

4.結 語

現今，在起重機中采用最新的PLC、變頻器技術(電氣控制系統)對整機操作進行控制，又有完善的故障監控、報警、記錄以及故障診斷和排除系統，為維護人員進行檢修判斷起到了很好的指導與幫助作用。