變頻器在起重機械中的應用
1.1 交流調(diào)速系統(tǒng)的特點
對于可調(diào)速的電力拖動系統(tǒng)，工程上往往把它分為直流調(diào)速系統(tǒng)和交流調(diào)速系統(tǒng)兩類。這主要是根據(jù)采用什么電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉(zhuǎn)換而劃分的，所謂交流調(diào)速系統(tǒng)，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉(zhuǎn)換裝置，并對其進行控制以產(chǎn)生所需要的轉(zhuǎn)速。
隨著電力電子器件，大規(guī)模集成電路和計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論向交流電氣傳動領(lǐng)域的滲透，為交流調(diào)速系統(tǒng)的開發(fā)研究進一步創(chuàng)造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調(diào)速、各種類型的變頻調(diào)速，特別是矢量控制技術(shù)的應用，使得交流調(diào)速系統(tǒng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、較高的穩(wěn)速精度、快速的動態(tài)響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術(shù)性能?，F(xiàn)在從數(shù)百瓦的伺服系統(tǒng)到數(shù)百千瓦的特大功率高速傳動系統(tǒng)，從一般要求的小范圍調(diào)速傳動到高精度、快響應、大范圍的調(diào)速傳動，從單機傳動到多機協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)，已幾乎都可采用交流調(diào)速傳動。交流調(diào)速傳動的客觀發(fā)展趨勢已表明，它完全可以和直流傳動相媲美、相抗衡，并有取代的趨勢。
1.2 交流調(diào)速常用的調(diào)速方案及其性能比較
由電機學知，交流異步電動機的轉(zhuǎn)速公式如下：
n= 60ƒ1 (1-s) (1-1)
pn
式中 Pn——電動機定子繞阻的磁極對數(shù)；
f1——電動機定子電壓供電頻率；
s ——電動機的轉(zhuǎn)差率。
從式（1-1）中可以看出，調(diào)節(jié)交流異步電動機的轉(zhuǎn)速有三大類方案。
（1）改變電動機的磁極對數(shù)
由異步電動機的同步轉(zhuǎn)速
no= 60ƒ1
pn
可知，在供電電源頻率f1不變的條件下，通過改接定子繞組的連接方式來改變異步電動機定子繞組的磁極對數(shù)Pn，即可改變異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，從而達到調(diào)速的目的。這種控制方式比較簡單，只要求電動機定子繞組有多個抽頭，然后通過觸點的通斷來改變電動機的磁極對數(shù)。采用這種控制方式，電動機轉(zhuǎn)速的變化是有級的，不是連續(xù)的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且只須有級調(diào)速的場合。
?。?）變頻調(diào)速
從式（1—1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數(shù)Pn一定，轉(zhuǎn)差率s—定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調(diào)速目的，電動機轉(zhuǎn)速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調(diào)節(jié)供電電源的頻率，就能平滑，無級地調(diào)節(jié)異步電動機的轉(zhuǎn)速。變頻調(diào)速調(diào)速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，在基頻以上，屬于恒功率調(diào)速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調(diào)速十分相似。且采用變頻起動更能顯著改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉(zhuǎn)矩。所以變頻調(diào)速是交流電動機的理想調(diào)速方案。
?。?）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速
改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調(diào)壓調(diào)速，電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速和繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，串級調(diào)速等。
定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)就是在恒定交流電源與交流電動機之間接入晶閘管作為交流電壓控制器，這種調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)僅適用于一些屬短時與重復短時作深調(diào)速運行的負載。為了能得到好的調(diào)速精度與能穩(wěn)定運行，一般采用帶轉(zhuǎn)速負反饋的控制方式。所使用的電動機可以是繞線式異電動機或是有高轉(zhuǎn)差率的鼠籠式異步電動機。
電磁轉(zhuǎn)差離臺器調(diào)速系統(tǒng)，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉(zhuǎn)差離合器以及控制裝置組合而成。鼠籠式電動機作為原動機以恒速帶動電磁離合器的電樞轉(zhuǎn)動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現(xiàn)對其磁極的速度調(diào)節(jié)。這種系統(tǒng)一般也采用轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。
繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速就是通過改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻來進行調(diào)速，這種調(diào)速方法簡單，但調(diào)速是有級的，串入較大附加電阻后，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩(wěn)定性差。
繞線式異步電動機串級調(diào)速系統(tǒng)就是在電動機的轉(zhuǎn)子回路中引入與轉(zhuǎn)子電勢同頻率的反向電勢Ef，只要改變這個附加的，同電動機轉(zhuǎn)子電壓同頻率的反向電勢Ef，就可以對繞線式異步電動機進行平滑調(diào)速。Ef越大，電動機轉(zhuǎn)速越低。
上述這些調(diào)速的共同特點是調(diào)速過程中沒有改變電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，所以低速時，轉(zhuǎn)差率s較大。
在交流異步電動機中，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率PM可以分成兩部分：一部分P2=（1—s）PM是拖動負載的有效功率，另一部分是轉(zhuǎn)差功率PS=sPM，與轉(zhuǎn)差率s成正比，它的去向是調(diào)速系統(tǒng)效率高低的標志。就轉(zhuǎn)差功率的去向而言，交流異步電動機調(diào)速系統(tǒng)可以分為三種：
1）轉(zhuǎn)差功率消耗型
這種調(diào)速系統(tǒng)全部轉(zhuǎn)差功率都被消耗掉，用增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低，轉(zhuǎn)差率s增大，轉(zhuǎn)差功率PS=sPM增大，以發(fā)熱形式消耗在轉(zhuǎn)子電路里，使得系統(tǒng)效率也隨之降低。定子調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速及繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速這三種方法屬于這一類，這類調(diào)速系統(tǒng)存在著調(diào)速范圍愈寬，轉(zhuǎn)差功率PS愈大，系統(tǒng)效率愈低的問題，故不值得提倡。
2）轉(zhuǎn)差功率回饋型
這種調(diào)速系統(tǒng)的大部分轉(zhuǎn)差功率通過變流裝置回饋給電網(wǎng)或者加以利用，轉(zhuǎn)速越低回饋的功率越多，但是增設(shè)的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串級調(diào)速即屬于這一類，它將轉(zhuǎn)差功率通過整流和逆變作用，經(jīng)變壓器回饋到交流電網(wǎng)，但沒有以發(fā)熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調(diào)速系統(tǒng)的效率也是很高的。
3）轉(zhuǎn)差功率不變型
這種調(diào)速系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率仍舊消耗在轉(zhuǎn)子里，但不論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率基本不變。如變極對數(shù)調(diào)速，變頻調(diào)速即屬于這一類，由于在調(diào)速過程中改變同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率s是一定的，故系統(tǒng)效率不會因調(diào)速而降低。在改變n0的兩種調(diào)速方案中，又因變極對數(shù)調(diào)速為有極調(diào)速，且極數(shù)很有限，調(diào)速范圍窄，所以，目前在交流調(diào)速方案中，變頻調(diào)速是最理想，最有前途的交流調(diào)速方案。
1.3 變流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展趨勢
近十幾年來，隨著現(xiàn)代控制理論、新型大功率電力電子器件、新型變頻技術(shù)以及微型計算機數(shù)字控制技術(shù)等在實際應用中相繼取得了重大進展，使得交流調(diào)速技術(shù)有了很大發(fā)展。今后的交流調(diào)速技術(shù)將在以下幾個方面得到進一步的發(fā)展。
?。?）交流調(diào)速系統(tǒng)的高性能化
交流電動機是個多變量、強耦合、非線性被控對象，僅用電壓/頻率（V/f）恒定控制，不能滿足對調(diào)速系統(tǒng)的要求。今后的產(chǎn)品將普遍采用矢量控制技術(shù)，提高調(diào)速性能，達到和超過直流調(diào)速水平。
矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術(shù)，它的想法是設(shè)法摸擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制。調(diào)速的關(guān)鍵問題是轉(zhuǎn)矩控制問題，直流電動機調(diào)速性能好的根本原因就在于它的轉(zhuǎn)矩控制容易，而交流電動機的轉(zhuǎn)矩則難于控制。為使交流電動機得到和直流電動機一樣的控制性能，必須通過電機統(tǒng)一理論和坐標變換理論，把交流電動機的定子電流分解成磁場定向坐標的磁場電流分量和與之相垂直的坐標轉(zhuǎn)矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉(zhuǎn)坐標系解耦后，交流量的控制變?yōu)橹绷髁康目刂票愕韧谥绷麟妱訖C。即如果在調(diào)速過程中始終維持定子電流的磁場電流分量不變，而控制轉(zhuǎn)矩電流分量，它就相當于直流電機中維持勵磁不變，而通過控制電樞電流來控制電機的轉(zhuǎn)矩一樣，能使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)特性。
矢量控制方法的提出使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性得到了顯著的改善，這無疑是交流傳動控制理論上一個質(zhì)的飛躍。但是經(jīng)典的矢量控制方法比較復雜，它要進行坐標變換，且需精確測算出轉(zhuǎn)子磁鏈的大小和方向，比較麻煩，且其精度受轉(zhuǎn)子參數(shù)變化的影響很大。近年來又出現(xiàn)了一種對交流電動機實現(xiàn)直接轉(zhuǎn)矩控制的新方法，它避開了矢量控制中的兩次坐標變換及求矢量的模與相角的復雜計算工作量，而直接在定子坐標系上計算電動機的轉(zhuǎn)矩與磁通，通過轉(zhuǎn)矩的砰砰控制，使轉(zhuǎn)矩響應時間控制在一拍以內(nèi)，且無超調(diào)，控制性能比矢量控制還好。此法雖尚未形成商品化的產(chǎn)品，但卻是很有發(fā)展前景的一種新的控制原理。交流電動機調(diào)速控制理論，從V/f恒定控制法到矢量控制法是一個飛躍，從矢量控制法到直接轉(zhuǎn)矩控制法將是第二個飛躍。
?。?）全控型大功率新型電力器件
交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展是和電力電子技術(shù)的發(fā)展分不開的，50年代世界上出現(xiàn)了電力半導體器件的晶閘管，為交流電動機調(diào)速技術(shù)的發(fā)展開辟了道路。但是作為第一代電力半導體器件的晶閘管沒有自關(guān)斷能力，需要利用電源或負載的外界條件來實現(xiàn)換相，因此用晶閘管來實現(xiàn)的交—直—交變頻裝置的核心的逆變器，必須配以大功率的強迫換相線路才能實現(xiàn)可靠的逆變。所以，人們一直在致力于研制出一種大功率，正反間均可用較小的功率進行導通與關(guān)斷控制的全控型器件，以便用較簡單的手段即可實現(xiàn)復雜的逆變工作。經(jīng)過10年左右的研制，場效應晶體管（MOSFET），巨型晶體管（GTR）及門極關(guān)斷（GTO）晶閘管等全控型器件問世，并在實際應用中取得了理想效果。從半控型器件向全控型器件的過渡標志著變頻裝置進入了可以與直流調(diào)速裝置在性能/價格比上相比美，這是交流調(diào)速技術(shù)產(chǎn)生飛躍的又一個重要的突破。
目前，全控型電力電子器件正沿著大電流、高電壓、快通斷、低損耗、易觸發(fā)、好保護、小體積、集成化等方向繼續(xù)發(fā)展，又出現(xiàn)了絕緣門極雙極晶體管（IGBT）和絕緣柵門極關(guān)斷（IGTO）晶體管等，即具有電壓型控制、輸入阻抗大、驅(qū)動功率小、控制電路簡單、開關(guān)損耗小、通斷速度快、工作頻率高、器件容量大及熱穩(wěn)定性好的特點，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點。這類器件是90年代變頻裝置的主流。電力電子器件發(fā)展的更進一步的目標將是把控制、觸發(fā)、保護等功能再集成化進來，從而形成電力電子與微電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，構(gòu)成最新一代的功率集成器件（PIC）。它將為最新一代高可靠、小型化、電機與電控裝置可能合而為一的未來型交流電動機調(diào)速系統(tǒng)提供新的發(fā)展基礎(chǔ)。
（3）脈寬調(diào)制技術(shù)
在交流電動機的調(diào)速過程中，通常要求調(diào)頻和調(diào)壓同時進行，早期調(diào)壓多用相控技術(shù)，用相控方式生成的變頻電壓電源含有大量的諧波分量，功率因數(shù)低，動態(tài)響應慢，線路復雜，無法滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。近年在廣泛采用自關(guān)斷元器件的情況下，逆變器普遍采用了脈寬調(diào)制技術(shù)，成功地解決了電源側(cè)功率因數(shù)低的問題，同時也減少了諧波分量對電網(wǎng)的影響。為了限制開關(guān)損耗，脈寬調(diào)制的頻率通常選在300~1000Hz左右，但這個頻率正好在人耳的敏感區(qū)，所以電機運行時的噪聲是一個新問題。為解決這個問題現(xiàn)在有幾種不同的發(fā)展趨勢。一種是采用新型的諧振式逆變器，可以把開關(guān)頻率提高到20KHz以上的超聲區(qū)，從而清除噪聲；另一種是在現(xiàn)有的元器件基礎(chǔ)上，優(yōu)選調(diào)制策略，降低脈寬調(diào)制的頻率至人耳不敏感區(qū)，從而降低噪聲?？傊芯块_關(guān)損耗小，功率因數(shù)高，諧波分量小，噪聲低，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的逆變器是今后發(fā)展的方向。脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展與應用使變頻裝置性能優(yōu)化，可以適用于各類交流電動機，為交流調(diào)速的普及創(chuàng)造了條件。
?。?）數(shù)字技術(shù)的應用
隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，16位乃至32位微處理機的應用越來越普及，且由于微處理機的運算速度提高、價格下降等新因素的出現(xiàn)，在電氣傳動中控制系統(tǒng)硬件由模擬技術(shù)轉(zhuǎn)向數(shù)字技術(shù)，全部采用數(shù)字控制，充分發(fā)揮微機控制的綜合優(yōu)點。數(shù)字調(diào)速技術(shù)不僅使傳動系統(tǒng)獲得高精度、高可靠性、還為新的控制理論與方法提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。微型計算機在性能、速度、價格、體積等方面的不斷發(fā)展與交流電動機調(diào)速理論的現(xiàn)實化提供了最重要的保證。
從發(fā)展趨勢看，交流數(shù)字調(diào)速有以下兩個發(fā)展方向：一是采用專用的硬件、大規(guī)模集成電路（IC）；專用硬件可以降低設(shè)備的投資，提高裝置的可靠性。研制交流調(diào)速系統(tǒng)專用的IC芯片，可使控制系統(tǒng)硬件小型化、簡單化。二是采用通用計算機硬件、軟件模塊化，可編程化，通用硬件可編程序控制，應用范圍廣，但價高造。從國際上采用數(shù)字調(diào)速的情況來看，前者一般多用于中小容量的標準系列產(chǎn)品，后者多用于大型工程大容量的傳動系統(tǒng)。
