基于塔機(jī)變頻器在V/F模式下穩(wěn)定運(yùn)行的控制研究

柴昭一，蒙智峰，湯小偉

（陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710032）

變頻器作為節(jié)約能源的關(guān)鍵設(shè)備取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于風(fēng)機(jī)、泵類。近年來(lái)塔機(jī)上也廣泛采用變頻調(diào)速技術(shù)，不僅大大提高了效率還能節(jié)約電能。塔機(jī)變頻器主要采用開(kāi)環(huán)V/F控制。開(kāi)環(huán)V/F控制系統(tǒng)是基于交流電機(jī)穩(wěn)態(tài)模型基礎(chǔ)上得出的，它不依賴電機(jī)參數(shù)及其變化，因此控制簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。但塔機(jī)機(jī)構(gòu)電機(jī)在輕載的情況下，運(yùn)行于某一頻率段時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)。此時(shí)需要改進(jìn)開(kāi)環(huán)V/F控制算法解決此問(wèn)題，以保證變頻器在塔機(jī)上的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 變頻調(diào)速在塔機(jī)上應(yīng)用的優(yōu)越性

以塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)為例，一方面為了提高生產(chǎn)效率，在空鉤或輕載情況希望速度盡可能高，另一方面在安裝就位時(shí)，又希望速度盡可能低，同時(shí)又要在起動(dòng)、換速過(guò)程中機(jī)械沖擊和電流沖擊要盡可能小。過(guò)去為了達(dá)到這一要求，采取了很多方法，比如使用最多的繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻加渦流制動(dòng)器配合用電磁離合器換擋的變速箱的調(diào)整方案、雙電機(jī)調(diào)速方案、雙速繞線電機(jī)加渦流制動(dòng)器調(diào)速方案等，均可以達(dá)到上述目的。但又各存在不足之處，要么可靠性不高或使用不方便，或者是成本高，結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜等。希望能找到一種既能達(dá)到上述要求、可靠性較高且成本相對(duì)較低的調(diào)速方案，這就是變頻調(diào)速方案［1-5］。變頻調(diào)速在塔機(jī)上應(yīng)用有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）調(diào)速范圍大。目前變頻器的輸出頻率可以達(dá)到200～400Hz，如電機(jī)額定頻率為50Hz，輸出最高頻率定為200Hz，輕載時(shí)也可以達(dá)到額定速度的4倍。

（2）變頻調(diào)速可以滿足塔機(jī)性能要求。即在0～50Hz內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩，在大于50Hz時(shí)為恒功率。若使用磁通矢量變頻器，可以提高在低速區(qū)的輸出轉(zhuǎn)矩，在1Hz運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)也能輸出150%的額定轉(zhuǎn)矩。

（3）起動(dòng)、換速時(shí)的沖擊小?？梢匀藶樵O(shè)置最佳的起動(dòng)、換速時(shí)間和速度變化曲線，使機(jī)械沖擊和電流沖擊減少到最小程度，從而提高了機(jī)械傳動(dòng)和結(jié)構(gòu)件的壽命。

（4）變頻調(diào)速使用鼠籠電機(jī)，使電機(jī)可靠性高，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，而且選擇面也比專用電機(jī)寬。

（5）節(jié)省能源。主要在低速段，過(guò)去一些調(diào)速方式要想獲得低速，將能量消耗在電機(jī)自身或電阻上，造成電機(jī)發(fā)熱，使低速運(yùn)行時(shí)間受到限制。變頻調(diào)速另一個(gè)特點(diǎn)是高低速時(shí)功率因素基本不變，而其它調(diào)速方式不容易做到這點(diǎn)。

（6）變頻器接口多，容易與微機(jī)配合，與各種保護(hù)裝置配合，為塔機(jī)進(jìn)一步自動(dòng)化提供了廣闊的空間，使塔機(jī)可靠性進(jìn)一步提高。

（7）由于變速范圍大，變速容易，故能降低司機(jī)操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和增加操縱安全性。

（8）減小了電源的容量。由于變頻調(diào)速起動(dòng)和換接電流沖擊小，故與其它調(diào)速方案（特別是多速電機(jī)和雙速繞線電機(jī)）相比，電源容量要求就小得多。

2 塔機(jī)變頻器在V/F模式下穩(wěn)定運(yùn)行的算法

開(kāi)環(huán)V/F控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，它與很多因素有關(guān)。當(dāng)變頻器的開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，死區(qū)效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致定子電流畸變和波動(dòng)，而且這種畸變還會(huì)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)。V/F控制方法忽略了定子電阻和漏感，但在實(shí)際系統(tǒng)中定子電阻和漏感的存在導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。常規(guī)的電壓型PWM調(diào)制V/F控制系統(tǒng)中，死區(qū)時(shí)間內(nèi)同一相中的上下橋臂均處于關(guān)斷狀態(tài)，負(fù)載側(cè)能量向主回路電容側(cè)回饋，因此穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)仍然存在有功及無(wú)功能量的波動(dòng)。這一波動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩及電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，在空載或輕載的情況下，激發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)振蕩，變頻器輸出電流大幅振蕩，繼而引起系統(tǒng)保護(hù)。下面提出一種基于電機(jī)有功功率和視在功率對(duì)電機(jī)輸出頻率進(jìn)行補(bǔ)償?shù)乃惴?，以保證變頻器在V/F模式下的穩(wěn)定運(yùn)行。

此頻率補(bǔ)償算法包含采樣單元、坐標(biāo)變換軟件單元、功率計(jì)算軟件單元、濾波單元、頻率補(bǔ)償單元和限幅單元。系統(tǒng)框圖如圖1所示。由于需要知道電機(jī)有功功率和視在功率，所以首先要通過(guò)采樣軟件單元包含電機(jī)三相電流采樣及濾波和電機(jī)輸入電壓采樣，坐標(biāo)變換軟件單元用于將三相電流、電壓變換成兩相電流、電壓，計(jì)算出α軸和β軸上的電流和電壓。功率計(jì)算軟件單元包含計(jì)算輸入到電機(jī)的有功功率P和視在功率S，一階低通濾波單元包含對(duì)采樣的三相電流進(jìn)行濾波和對(duì)效率（有功功率P除以視在功率S）進(jìn)行濾波。P調(diào)節(jié)器用于將效率誤差進(jìn)行P調(diào)節(jié)，然后乘以額定頻率得到補(bǔ)償頻率。限幅單元用于對(duì)補(bǔ)償頻率進(jìn)行限幅，積分處理單元用于通過(guò)對(duì)角頻率ω進(jìn)行積分運(yùn)算獲得旋轉(zhuǎn)角θ。對(duì)采樣的三相輸入電流進(jìn)行濾波，一階低通濾波的傳遞函數(shù)

圖1 系統(tǒng)原理框圖

計(jì)算輸入到電機(jī)的有功功率和視在功率。先對(duì)采樣的三相電流電壓進(jìn)行3/2坐標(biāo)變換，得到兩相電流Iα、Iβ，兩相電壓Uα、Uβ，有功功率和視在功率

計(jì)算效率誤差，其中效率公式為

將效率進(jìn)行濾波，一階低通濾波后得到LPF（η），效率誤差

利用P調(diào)節(jié)器對(duì)效率誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償頻率

對(duì)角速度ω進(jìn)行積分得到旋轉(zhuǎn)角度

設(shè)變頻器輸出到電機(jī)的三相電流經(jīng)過(guò)濾波后為經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換后同樣輸出的三相電壓經(jīng)過(guò)濾波后為ua、ub、uc，經(jīng)過(guò)3/2坐標(biāo)變換后，ua=其坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理如圖2所示。

圖2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理

3 塔機(jī)行業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)

自動(dòng)化產(chǎn)品在塔機(jī)行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)得到認(rèn)同，未來(lái)5年內(nèi)將會(huì)保持高速增長(zhǎng)需求。市場(chǎng)的兩個(gè)趨勢(shì)有利于塔機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模擴(kuò)大。

（1）塔機(jī)的大型化趨勢(shì)。

當(dāng)前塔機(jī)的自動(dòng)化應(yīng)用主要在中大型塔機(jī)，中國(guó)中大型塔機(jī)約占塔機(jī)總量的50%，其它50%的小型塔機(jī)自動(dòng)化程度低。塔機(jī)的大型化直接導(dǎo)致塔機(jī)整體市場(chǎng)的自動(dòng)化程度增強(qiáng)。如果按照塔機(jī)市場(chǎng)50%的中大型塔機(jī)全部應(yīng)用PLC和變頻器，以每年銷售新增塔機(jī)3萬(wàn)臺(tái)計(jì)算，1臺(tái)塔機(jī)用3臺(tái)變頻器（1臺(tái)1.5～5.5kW變頻器，1臺(tái)15kW變頻器，1臺(tái)中型PLC1萬(wàn)），變頻器的市場(chǎng)潛力是5億，再加上市場(chǎng)改造，潛力非常巨大。

（2）小型塔機(jī)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力大。

50%的小型塔機(jī)市場(chǎng)前景廣闊，首先小型塔機(jī)應(yīng)用的變頻器功率不大，對(duì)成本價(jià)格提高不多，但使用了變頻調(diào)速技術(shù)會(huì)提高塔機(jī)整體性能。假設(shè)小型塔機(jī)只在起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用1臺(tái)變頻器，也有1.5萬(wàn)余臺(tái)的變頻器市場(chǎng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

由于變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)應(yīng)用的優(yōu)越性以及塔機(jī)市場(chǎng)的規(guī)模擴(kuò)大，未來(lái)變頻器將會(huì)更加廣泛應(yīng)用于塔機(jī)。塔機(jī)變頻器控制穩(wěn)定運(yùn)行是必要條件，開(kāi)環(huán)V/F模式控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。在開(kāi)環(huán)V/F控制中增加上述算法，將更加優(yōu)化塔機(jī)變頻器的控制性能。

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