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。

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