變頻調速技術及其在升船機上的應用

　　直流電機的較好調速特性和力矩特性，是調速控制的主要方式，在上世紀90年代以前它在電動調速系統中一直處于統治地位。因其結構復雜、制造成本高，并且不適應惡劣工作環境，該項技術的發展在一定程度上受到了限制。交流電機、特別是異步電機，雖然結構簡單、體積小、運行可靠、價格便宜也適應惡劣的工作環境等一系列的優點，在調速系統中卻很少應用，至到可控硅元件問世后，異步電動機才在調速系統中得到廣泛應用。

　　由于異步電機的調速技術的進步，近年來各個行業的電機調速都采用變頻調速，升船機也是其中的一種，這種系統具有顯著的可靠性、節能、省時的效果，本文在介紹變頻技術的同時，介紹了該技術在升船機系統大功率異步電機上的應用。

　　1 變頻調速的原理及其優點1.1 變頻調速的原理 變頻調速以交流電作為工作電源，通過變頻控制，把固定電壓、頻率的交流電，變換為可調壓、調頻的交流電，進而對交流異步電機提供交流工作電源。其基本原理為：n=60f（1-s）/p式中：n為異步電機轉速，f為電源頻率，P為磁極對數。由此可見，改變電源頻率即可改變異步電動機的轉速。

　　同時，因頻率的下降會導致磁通的增加，造成磁路飽和，勵磁電流增加，功率因數下降，鐵芯和線圈過熱。這顯然不允許的。因此，要在降頻的同時還要降壓。這就要求頻率與電壓協調控制。另外，在許多情況下，為了保持在調速時，電動機產生最大轉矩不變，也需要維持磁通不變，這也需要由頻率和電壓協調控制來實現，故稱為變壓變頻調速（VVVF），簡稱變頻調速。

　　根據異步電機的控制方式不同，變壓變頻調速可分為：恒定壓頻控制調速、矢量控制變頻調速、直接轉矩控制變頻調速等。

　　1.2 變頻調速的優點 變頻調速的調節性能，具有調速平滑性好、機械特性較硬、調節廣度較大，實現恒轉矩或恒功率調速便捷，其調速特性與直流電動機的調壓調速和勵磁調速十分類似，并且可以與直流調速相媲美，甚至超過直流調速。

　　2 變頻調速器的分類2.1 從變頻器的主電路形式上劃分，可分為交-直-交型變頻器和交-交型變頻器。其中，交-直-交型變頻器工作原理為：首先通過整流器將電網電源變換為直流電，再由逆變器將直流電變換成頻率和幅值均能調節的交流電。與交-交型變頻器相比，無論從幅值及頻率的調節寬度，以及調節平滑性上，都具有顯著的優點。升船機上采用的變頻器即為交-直-交型。

　　2.2 從交流電源的性質上，變頻器又可分為電壓變頻器（圖1）和電流變頻器（圖2）兩種。其主要區別，在于中間直流環節采用了何種形式的濾波器。

　　其中：電壓變頻器節采用大電容濾波，其優點是直流電壓波形較平直，使施加于負載上的電壓值基本上不受負載的影響基本保持恒定，所以運行時幾乎不受負載的功率影響，而缺點是負載出現短路或變頻器運行狀態下投入負載，易出現過電流，必須在極短時間內施加保護措施。

　　電流型變頻器的中間直流環節所采用的是大電感濾波，直流電流的波形比較平直，使施加在負載上的電流值穩定不變，基本上不受負載的影響，其特性與電流源相似，故稱為電流型變頻器。電流型變頻器的整流部分一般采用相控整流或直流斬波，通過改變直流電壓來控制直流電流，從而構成可調的直流電源來達到控制輸出的目的。電流型變頻型由于電流的可控性較好，可限制因逆變裝置換流失敗或負載短路引起的過流，保護的可靠性較高，因此用在頻繁加減速的場合多一些。

　　3 變壓變頻協調控制為了實現對異步電機電壓和頻率的協調控制，需考慮基頻f1（基本頻率）以下和基頻以上兩種情況。基頻在多數情況下等于額定頻率fN。基頻是變頻器對電機進行恒轉矩控制和恒功率控制的分界線，基頻以下一般采用恒轉矩調速，基頻以上通常采用恒功率調速。

　　3.1 基頻f1以下調速控制 在相同的轉矩相位角的條件下，維持一定調速范圍內磁通恒定。通過控制電機的電流恒定，即可控制電機的轉矩恒定，這種控制方式稱為恒轉矩控制（即電機在速度變化的動態過程中，具有輸出恒定轉矩的能力）；其控制的重點，在于維持一定調速范圍內的磁通恒定。

　　3.1.1 恒定壓頻比（U1/f1）控制 恒定U1/f1控制是異步電動機變頻調速的最基本控制方式，在控制電動機的電源頻率變化的同時還控制變頻器的輸出電壓，使U1/f1為恒定，從而使電動機的磁通基本保持恒定。

　　恒定U1/f1控制的基本模型是電動機的穩態數學模型，從而，其控制效果只有在穩態時才符合要求。例如在電機正常運行時，電動機電阻r1和定子漏電抗x1的壓降較小，基本可以忽略不計。在這種情況下，電機定子電壓U1與感應電動勢Eg近似相等。恒定U1/f1控制最容易實現，也能滿足一般的調速要求，并且，其最突出的優點就是可以進行電機的開環速度控制。 　　但是，恒定U1/f1控制在低速運行狀態下性能較差，這是因為低速狀態下，異步電動機定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，電機U1≈Eg的條件已不滿足；從而按U1/f1控制已不能保持電機磁通恒定。結果造成電機磁通減小，電機電磁轉矩的的減小。因此，在低速運轉的時候，要適當加大U1/f1的值，以補償定子壓降。

　　3.1.2 恒定氣隙磁通ΦM控制 異步電機定子的感應電勢：Eg=4.44f1N1KN1ΦM從以上公式可知，如果要保持磁通量ΦM不變，當頻率f1變化時，必須改變電動勢Eg的大小，使Eg/f1等于一個常值。另外，電機定子電壓u1=Eg+（r1+jx1）I1。因此，適當的提高定子電壓u1，克服定子阻抗壓降，從而能維持Eg/f1為恒值；則可保證無論頻率高低，磁通ΦM均為常值，實現恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制，與恒定壓頻控制相比，補償了定子阻抗壓降，在控制穩態性能上更具優點。

　　Eg/f1控制3.1.3 恒定轉子磁通？準r（Er/f1）控制 在電壓、頻率協調控制的基礎上，把電壓U1進一步提高，使轉子漏抗上的壓降也抵消掉；這種控制方式即稱之為恒定Er/f1控制。顯然，恒定Er/f1控制的穩態性能最好，可獲得與直流電機一樣的線性機械特性。從電動勢與磁通的關系的公式（Eg=4.44f 1N1KN1ΦM）中可看出，當頻率恒定時電動勢與磁通成正比，氣隙磁通Eg的感應電動勢對應氣隙磁通ΦM。同樣，轉子磁通的感應電動勢Er對應于轉子磁通？準r時， Er=4.44f1N1KN1？準r。因此，只要能夠按照轉子磁通？準r等于恒值來進行控制，就可以實現恒定Er/f1控制。這也正是矢量控制系統所遵循的原則。

　　3.2 基頻f1以上調速 根據公式Eg=4.44f1N1KN1ΦM，當頻率增加時，電機的電壓隨之提高。但若電機電壓已到達額定電壓，繼續升壓就可能造成電機絕緣損壞。因此，頻率升高的同時，必須降低磁通量，從而保持電機電壓不變。此時，電機輸出功率由電機額定電壓和額定電流決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。相當于直流電機弱磁升速的工作狀態。

　　4 變頻調速在升船機上的應用隨著變頻調速技術的快速發展，逐步在升船機系統中代替了直流調速電機，并且以明顯的優勢占據著主導地位。

　　4.1 系統的構成4.2 系統工作原理 三相交流電輸入到傳動系統的整流裝置，整流為標準的直流電，然后輸入到傳動系統的逆變裝置，進而轉變為可以根據現場需要的頻率可調的標準正弦電，于是使變頻電機的轉速可根據現場可以調節。這里把交流電變成直流電再變成交流電，而不是直接使用逆變裝置使交流變交流，原因是直流電壓波形較平直，使加于負載上的電壓值基本不受負載的影響，基本保持恒定。變頻調速裝置可使最小轉速達到0.1RPM，調速范圍廣，調速平滑性好，實現恒轉矩和恒轉速雙重調速控制，并且其調速特性與直流電機的調壓調速類似，甚至比直流調速更完美。

　　變頻電機帶動減速機，然后再帶動卷筒轉動。減速機專門配備一套稀有潤滑系統，采用壓力油泵強制循環，使減速機在正常運轉中不斷地得到潤滑。制動系統分為兩級制動，工作制動和安全制動，一旦出現突發情況，安全制動系統首先分級上閘，待轉速降低為零之后工作制動器上閘，確保安全運行。

　　4.3 變頻調速與直流調速的比較 傳統的升船機使用的是直流調速系統，由于直流電機的較好調速特性，在變頻調速之前它一直在電動調速系統中處于統治地位。可是由于實際使用中需要的直流電源容量比較大，現場必須配備一套與之相對應的直流發電系統，由交流異步電動機作為原動力，帶動直流發電機，然后再根據直流電機的調速特性，對升船機進行正常運行。

　　變頻調速系統則是由一套傳動系統（整流裝置、逆變裝置）就可以對電動機實現較好的調速控制，實現升船機的運行。

　　5 結束語升船機采用變頻電機進行調速，不但使調速系統的結構大大簡化，制造成本大大節省，而且對于日后的運行也是簡單易操作，極大的方便了運行人員，提高了工作效率。