港口起重机变频调速及节能应用探讨

本文主要是作者结合多年来对港口机械相关方面的工作经验，阐述了港口起重机调速系统的发展，变频调速方案及变频控制系统节能等三个方面，可供同行参考。

1.调速系统的发展

交流电机结构简单、价格低廉、运行可靠、维护方便，所以被广泛应用于生产机械 电力拖动系统作为动力源。但是交流电机的起动特性一直改进甚微，因为在恒压下直接起动的电流约为额定电流的4～7倍，而转速要在这么短暂的时间内从零升至额定值必将产生极大的冲击，导致拖动对象(如传动机构装置)严重磨损或损坏，在起动瞬间的大电流还会引起电网电压降低，严重时甚至影响电网内其他设备正常运行， 由于电压突然降低电机本身起动也难以完成，极易造成电机堵转和烧毁。

防止或减少异步电机起动瞬间大电流冲击现象，是保障电机良好运行的首要任务。为此，设法使电机起动处于低冲击或无冲击且平滑柔和的环境状态，各种限流起动方法便应运而生。就现今技术水准而言，在诸多电机起动方式中变频控制为最佳。

变频调速技术是随交流电机无级调速需求诞生的。20世纪60年代后半期开始，电力电子器件从SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、BJT(双极型功率晶体管)、MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)、SIT (静电感应晶体管)、SITH(静电感应晶闸管), MCT(MOS控制晶体管)、MCT(MOS控制晶闸管)发展到今天的I G B T(绝缘栅双极型晶体管)、HVIGBT(耐高压绝缘栅双极型晶闸管)，器件的更新促使电力变换技术不断发展。从2O世纪70年代开始，脉宽调制变压变频(PWM―VVVF)调速研究引起了人们的高度重视，到20世纪8O年代，作为变频技术核心的PWM模式优化问题引起了人们的浓厚兴趣，并得出诸多优化模式，其中以鞍形波PWM模式效果为最佳。自20世纪80年代后半期始，美、日、德、英等发达国家的VVVF变频器开始投入市场并得到广泛应用。

2.变频调速方案

根据不同生产作业方式和不同的电机种类、变频器型式，可设计出各种变频调速控制方法。这里仅讨论交一直一交(AC―DC―AC)变频器，至于交一交循环变频器(AC―AC相控变频)以及自同步控制逆变器(不论AC―AC方式还是AC―DC―AC方式)，即俗称无换向器电机，均不加以讨论。

2.1 开环控制的通用变频器三相异步电机变频调速系统

本控制方案结构简单，可靠性高。由于是开环控制方式，其调速精度和动态响

应特性不十分理想，尤其在低速区域电压调整比较困难，不可能得到较大调速范围和较高调速精度。又由于异步电机存在转差率，转速随负荷力矩变化而变化，即使目前部分变频器具有转差补偿及转矩提升功能，也难以达到0.5%的精度要求，所以这种V/F控制的通用变频器异步电机开环变频调速方法仅适用于要求不高的场合(如风机、水泵等)。

2.2 无速度传感器 的矢量控制变频器异步电机变频调速系统

两者的差别仅在于使用的变频器不同。由于使用无速度传感器矢量控制的变频器，可以分别对异步电机的磁通和转矩电流进行检测、控制，自动改变电压和频率，使指令 值和检测实际值达到一致，从而实现矢量控制。虽说它是开环控制系统，但却大大提升了静态精度和动态品质，转速精度偏差在0.5%左右，且转速响应较快。

对生产作业要求不十分高的情形，采用矢量变频器无传感器开环异步电机变频调速方案非常合适，可以达到控制方式简单、可靠性高的效果。

2.3 带速度传感器矢量控制变频器异步电机闭环变频调速系统

矢量控制异步电机闭环变频调速是一种理想的控制方式。它具有许多优点：①可从零转速起进行速度控制(即超低速亦能运行)，故调速区域宽广，可达100：1或1000：1的范围。②可对转矩实行精确控制。③系统动态响应速度甚快。④电机加速度特性很好等。

2.4 永磁同步电机开环控制变频调速系统

该方案具有控制电路简单、可靠性高的特点。由于是同步电机，其转速始终等于同步转速N0=60F/P，所以其调速性能只取决于电机供电频率F，而与负载大小无关(除非负载力矩大于或等于失步转矩。同步电机失步，转动会迅速停止)，其机械特性曲线为一根直线，为绝对硬特性。

如果采用高精度的变频器(数字设定频率精度可达0.01%)，在开环控制情形下，同步电机的转速精度亦为0.01%，因为在开环控制方式下，同步电机转速精度与变频器频率精度相一致，所以特别适合多电机同步传动。

3.变频控制系统节能

变频控制系统之所以可节能，是因为变频器在其中所发挥的作用。变频器只有在低于工频运行或从高频降到低频过程中才能起到节能的功效 。

3.1 变频节能

为确保安全生产，设计配用动力驱动的各种生产机械都留有一定的富余量，电机一般不会在满负荷状态下运行，因此除要达到额定驱动力要求外，多余的力矩无疑增加了有功功率消耗，造成电能浪费。然而， 加变频器后就可以需要多少电能给多少，不会产生浪费现象。使用变频器控制时，功耗随外负载的变化而变化，也就是说变频器会自动调整输出功率，使其在满足工况的同时达到节约电能的目的。

3.2 电能回馈电网节能

采用变频器控制，电机改用变频鼠笼电机，不存在常规控制系统中绕线式异步电动机转子串电阻耗能的问题，若使用带能量回馈装置的逆变系统，就可将货物下降时产生的能量转化为电能后反馈电网，更加节能。

3.3 提高功率因数节能

电机由定子绕组和转子绕组通过电磁作用产生力矩而运转。绕组线圈对电网而言电抗特性呈感性，电机在运行时吸收大量的无功功率，造成功率因数降低。采用变频节能调速器后，由于其性能已变为AC―DC ―AC，经整流、滤波、逆变后，线路特性发生了变化，电网回路的感抗减小，功率因数提高，明显减少了无功损耗。

3.4 低功耗安全控制节能

采用变频控制后，由于变频电机不存在转子外接线问题，变频器本身保护功能很强，变频器一旦检测到所控电机回路有对地漏电、匝间短路、三相输出不平衡，变频器立即保护停机，并报故障原因，不仅消除了安全隐患，而且不会因漏电、缺相、短路保护不可靠而造成电能损耗。

4.结 语

现今，在起重机中采用最新的PLC、变频器技术(电气控制系统)对整机操作进行控制，又有完善的故障监控、报警、记录以及故障诊断和排除系统，为维护人员进行检修判断起到了很好的指导与帮助作用。