| 變頻調速在起重機械上的應用 |
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1、交流調速系統概述
1.1 交流調速系統的特點
對于可調速的電力拖動系統，工程上往往把它分為直流調速系統和交流調速系統兩類。這主要是根據采用什么電流制型式的電動機來進行電能與機械能的轉換而劃分的，所謂交流調速系統，就是以交流電動機作為電能—機械能的轉換裝置，并對其進行控制以產生所需要的轉速。
縱觀電力拖動的發展過程，交、直流兩大調速系同一直并存于各個產業領域，固然由于各個時期科學技術的發展使得它們所處的地位有所不同，但它們始終是隨著產業技術的發展，特別是隨著電力電子元器件的發展而在相互競爭。在過往很長一段時期，由于直流電動機的優良調速性能，在可逆、可調速與高精度、寬調速范圍的電力拖動技術領域中，幾乎都是采用直流調速系統。然而由于直流電動機其有機械式換向器這一致命的弱點，致使直流電動機制造本錢高、價格昂貴、維護麻煩、使用環境受到限制，其自身結構也約束了單臺電機的轉速，功率上限，從而給直流傳動的應用帶來了一系列的限制。相對于直流電動機來說，交流電動機特別是鼠籠式異步電動機具有結構簡單，制造本錢低，堅固耐用，運行可靠，維護方便，慣性小，動態響應好，以及易于向高壓、高速和大功率方向發展等優點。因此，近幾十年以來，不少國家都在致力于交流調速系統的研究，用沒有換向器的交流電動機實現調速來取代直流電動機，突破它的限制。
隨著電力電子器件，大規模集成電路和計算機控制技術的迅速發展，以及現代控制理論向交流電氣傳動領域的滲透，為交流調速系統的開發研究進一步創造了有利的條件。諸如交流電動機的串級調速、各種類型的變頻調速，特別是矢量控制技術的應用，使得交流調速系統逐步具備了寬的調速范圍、較高的穩速精度、快速的動態響應以及在四象限作可逆運行等良好的技術性能。現在從數百瓦的伺服系統到數百千瓦的特大功率高速傳動系統，從一般要求的小范圍調速傳動到高精度、快響應、大范圍的調速傳動，從單機傳動到多機協調運轉，已幾乎都可采用交流調速傳動。交流調速傳動的客觀發展趨勢已表明，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 交流調速常用的調速方案及其性能比較
由電機學知，交流異步電動機的轉速公式如下：
n= 60ƒ1 (1-s) (1-1)
pn
式中 Pn——電動機定子繞阻的磁極對數；
f1——電動機定子電壓供電頻率；
s ——電動機的轉差率。
從式（1-1）中可以看出，調節交流異步電動機的轉速有三大類方案。
（1）改變電動機的磁極對數
由異步電動機的同步轉速
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Pn，即可改變異步電動機的同步轉速n0，從而達到調速的目的。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。采用這種控制方式，電動機轉速的變化是有級的，不是連續的，一般最多只有三檔，適用于自動化程度不高，且只須有級調速的場合。
（2）變頻調速
從式（1—1）中可以看出，當異步電動機的磁極對數Pn一定，轉差率s—定時，改變定子繞組的供電頻率f1可以達到調速目的，電動機轉速n基本上與電源的頻率f1成正比，因此，平滑地調節供電電源的頻率，就能平滑，無級地調節異步電動機的轉速。變頻調速調速范圍大，低速特性較硬，基頻f=50Hz以下，屬于恒轉矩調速方式，在基頻以上，屬于恒功率調速方式，與直流電動機的降壓和弱磁調速十分相似。且采用變頻起動更能明顯改善交流電動機的起動性能，大幅度降低電機的起動電流，增加起動轉矩。所以變頻調速是交流電動機的理想調速方案。
（3）變轉差率調速
改變轉差率調速的方法很多，常用的方案有：異步電動機定子調壓調速，電磁轉差離合器調速和繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速，串級調速等。
定子調壓調速系統就是在恒定交流電源與交流電動機之間接進晶閘管作為交流電壓控制器，這種調壓調速系統僅適用于一些屬短時與重復短時作深調速運行的負載。為了能得到好的調速精度與能穩定運行，一般采用帶轉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差率的鼠籠式異步電動機。
電磁轉差離臺器調速系統，是由鼠籠式異步電動機、電磁轉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動，通過對電磁離合器勵磁電流的控制實現對其磁極的速度調節。這種系同一般也采用轉速閉環控制。
繞線式異步電動機轉子回路串電阻調速就是通過改變轉子回路所串電阻來進行調速，這種調速方法簡單，但調速是有級的，串進較大附加電阻后，電動機的機械特性很軟，低速運行損耗大，穩定性差。
繞線式異步電動機串級調速系統就是在電動機的轉子回路中引進與轉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速。Ef越大，電動機轉速越低。
上述這些調速的共同特點是調速過程中沒有改變電動機的同步轉速n0，所以低速時，轉差率s較大。
在交流異步電動機中，從定子傳進轉子的電磁功率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，另一部分是轉差功率 PS=sPM，與轉差率s成正比，它的往向是調速系統效率高低的標志。就轉差功率的往向而言，交流異步電動機調速系統可以分為三種：
1）轉差功率消耗型
這種調速系統全部轉差功率都被消耗掉，用增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低，轉差率s增大，轉差功率PS=sPM增大，以發熱形式消耗在轉子電路里，使得系統效率也隨之降低。定子調壓調速、電磁轉差離合器調速及繞線式異步電動機轉子串電阻調速這三種方法屬于這一類，這類調速系統存在著調速范圍愈寬，轉差功率PS愈大，系統效率愈低的題目，故不值得提倡。
2）轉差功率回饋型
這種調速系統的大部分轉差功率通過變流裝置回饋給電網或者加以利用，轉速越低回饋的功率越多，但是增設的裝置也要多消耗一部分功率。繞線式異步電動機轉子串級調速即屬于這一類，它將轉差功率通過整流和逆變作用，經變壓器回饋到交流電網，但沒有以發熱形式消耗能量，即使在低速時，串級調速系統的效率也是很高的。
3）轉差功率不變型
這種調速系統中，轉差功率仍然消耗在轉子里，但不論轉速高低，轉差功率基本不變。如變極對數調速，變頻調速即屬于這一類，由于在調速過程中改變同步轉速n0，轉差率s是一定的，故系統效率不會因調速而降低。在改變n0的兩種調速方案中，又因變極對數調速為有極調速，且極數很有限，調速范圍窄，所以，目前在交流調速方案中，變頻調速是最理想，最有前途的交流調速方案。
1.3 變流調速系統的發展趨勢
近十幾年來，隨著現代控制理論、新型大功率電力電子器件、新型變頻技術以及微型計算機數字控制技術等在實際應用中相繼取得了重大進展，使得交流調速技術有了很大發展。今后的交流調速技術將在以下幾個方面得到進一步的發展。
（1）交流調速系統的高性能化
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，不能滿足對調速系統的要求。今后的產品將普遍采用矢量控制技術，進步調速性能，達到和超過直流調速水平。
矢量變換控制是一種新的控制理論和控制技術，它的想法是想法摸擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制。調速的關鍵題目是轉矩控制題目，直流電動機調速性能好的根本原因就在于它的轉矩控制輕易，而交流電動機的轉矩則難于控制。為使交流電動機得到和直流電動機一樣的控制性能，必須通過電機同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矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉坐標系解耦后，交流量的控制變為直流量的控制便等同于直流電動機。即假如在調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矩一樣，能使系統具有較好的動態特性。
矢量控制方法的提出使交流傳動系統的動態特性得到了明顯的改善，這無疑是交流傳動控制理論上一個質的奔騰。但是經典的矢量控制方法比較復雜，它要進行坐標變換，且需精確測算出轉子磁鏈的大小和方向，比較麻煩，且其精度受轉子參數變化的影響很大。近年來又出現了一種對交流電動機實現直接轉矩控制的新方法，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矩與磁通，通過轉矩的砰砰控制，使轉矩響應時間控制在一拍以內，且無超調，控制性能比矢量控制還好。此法雖尚未形成商品化的產品，但卻是很有發展遠景的一種新的控制原理。交流電動機調速控制理論，從V/f恒定控制法到矢量控制法是一個奔騰，從矢量控制法到直接轉矩控制法將是第二個奔騰。
（2）全控型大功率新型電力器件
交流電動機調速技術的發展是和電力電子技術的發展分不開的，50年代世界上出現了電力半導體器件的晶閘管，為交流電動機調速技術的發展開辟了道路。但是作為第一代電力半導體器件的晶閘管沒有自關斷能力，需要利用電源或負載的外界條件來實現換相，因此用晶閘管來實現的交—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斷控制的全控型器件，以便用較簡單的手段即可實現復雜的逆變工作。經過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進了可以與直流調速裝置在性能/價格比上相比美，這是交流調速技術產生奔騰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、好保護、小體積、集成化等方向繼續發展，又出現了盡緣門極雙極晶體管（IGBT）和盡緣柵門極關斷（IGTO）晶體管等，即具有電壓型控制、輸進阻抗大、驅動功率小、控制電路簡單、開關損耗小、通斷速度快、工作頻率高、器件容量大及熱穩定性好的特點，又具有通態電壓低、耐壓高和承受電流大等優點。這類器件是90年代變頻裝置的主流。電力電子器件發展的更進一步的目標將是把控制、觸發、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相結合的產物，構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速系統提供新的發展基礎。
（3）脈寬調制技術
在交流電動機的調速過程中，通常要求調頻和調壓同時進行，早期調壓多用相控技術，用相控方式天生的變頻電壓電源含有大量的諧波分量，功率因數低，動態響應慢，線路復雜，無法滿足高性能調速系統的要求。近年在廣泛采用自關斷元器件的情況下，逆變器普遍采用了脈寬調制技術，成功地解決了電源側功率因數低的題目，同時也減少了諧波分量對電網的影響。為了限制開關損耗，脈寬調制的頻率通常選在300~1000Hz左右，但這個頻率正好在人耳的敏感區，所以電機運行時的噪聲是一個新題目。為解決這個題目現在有幾種不同的發展趨勢。一種是采用新型的諧振式逆變器，可以把開關頻率進步到20KHz以上的超聲區，從而清除噪聲；另一種是在現有的元器件基礎上，優選調制策略，降低脈寬調制的頻率至人耳不敏感區，從而降低噪聲。總之，研究開關損耗小，功率因數高，諧波分量小，噪聲低，運轉平穩的逆變器是今后發展的方向。脈寬調制技術的發展與應用使變頻裝置性能優化，可以適用于各類交流電動機，為交流調速的普及創造了條件。
（4）數字技術的應用
隨著計算機技術突飛猛進的發展，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進步、價格下降等新因素的出現，在電氣傳動中控制系統硬件由模擬技術轉向數字技術，全部采用數字控制，充分發揮微機控制的綜合優點。數字調速技術不僅使傳動系統獲得高精度、高可靠性、還為新的控制理論與方法提供了物質基礎。微型計算機在性能、速度、價格、體積等方面的不斷發展與交流電動機調速理論的現實化提供了最重要的保證。
從發展趨勢看，交流數字調速有以下兩個發展方向：一是采用專用的硬件、大規模集成電路（IC）；專用硬件可以降低設備的投資，進步裝置的可靠性。研制交流調速系統專用的IC芯片，可使控制系統硬件小型化、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。從國際上采用數字調速的情況來看，前者一般多用于中小容量的標準系列產品，后者多用于大型工程大容量的傳動系統。
1.4 交流變頻調速在起重機上的應用
盡大多數起重機要求在不同的場合，用不同的速度進行工作，其目的在于使起重機在各種公道的速度下有效地工作，以進步生產率和確保安全生產。這種調速過程需在運行過程中進行，而且變換次數較多，因而機械變速一般分歧適，大多數情況下需采用電氣調速。起重機電氣調速系統分為兩大類，即直流調速系統和交流調速系統，如前所述，直流調速方案由于直流電動機結構復雜，制造本錢高，維護不便等諸多缺點，固然目前在大型起重機上仍在使用，但正有逐步被交流調速方案所替換的趨勢。目前在起重機上采用的交流調速方案主要有：繞線式異步電動機轉子串電阻調速；能耗制動下降調速；渦流制動器調速，定子調壓調速，串級調速及變頻調速等。表1—1比較了這幾種主要的起重機交流調速方案的優缺點并指出了各自的應用場合。
從表1—1中可以看出，交流變頻調速和其它起重機調速方案相比，具有明顯的優點。首先，起重機整體性能會有很大的進步，具有速度可在整個調速范圍內連續控制，開、閉環特性好，調速比可達1：100以上，調速精度±1%，調速平穩，負載忽然變化時有極好的動態響應，可以長時間低速運行，使其具有極高的定位精度，節能效果明顯，簡化了電控系統，省往了電動機轉子側的大功率電阻、切換交流接觸器和電動機正反轉交流接觸器，再加之系統傳動所用變頻電機屬鼠籠式異步電動機類、本錢相對低廉，維修少，因此變頻調速是起重機最理想的交流調速方案，具有同直流傳動一樣的調速性能，性能價格比最高。但在國內，交流變頻調速在起重機特別是大噸位起重機上的應用還剛起步，原因是作為起重機核心機構的起升機構其位能性負載特性和使用安全性的需求使一般通用變頻器在性能上不能滿足要求。低頻時能否達到恒轉矩輸出；空中是否溜鉤等題目一直是起重機起升機構使用變頻調速的難點，還有起升機構重載下放時其再生制動能量是消耗在制動電阻上還是回饋回電網，這些一直都給起重機使用全變頻調速控制系統帶來困惑。近年來，矢量控制變頻器的出現給起重性能否安全使用變頻調速技術帶來了生機，國外、國內各大專業電氣公司也都在致力于這方面的開發和研究，因此，怎樣使矢量控制變頻調速技術用于起重機電氣傳動，實現四象限運行，保證起升機構各種工況要求和良好的低速就位性能，對推動港口機械電氣控制與調速系統的更新換代，具有非常實用的意義。
表1-1 起重機常用交流調速方案
調 速方 案 調速范圍 低速運行時的效率 特 點 適用負載 驅動機構
轉子串電阻調速 1：3 低 1.線路簡單、本錢低、易維修2.調速性能差，無低速下降3.不能長期低速運行。 位能反抗 起升運行
能耗制動調速 1：3~1：5 低 1.同上2.重載下降能獲得低速，上升無低速3.直流電源因電機而異，無法標準 位能 起升
渦流制動器調速 1：10 低 1.同上2.速度有低速，但不能長時間低速運行3.加大了系統GD2 位能反抗 起升運行
定子調壓調速 1：10 低 1.線路復雜、本錢高2.若采用閉環控制能得到穩定低速且調速范圍 較大，能無級調速 位能反抗 起升運行
串極調速 1：10~1：30 高 1.同上2.適用于長期低速運行，重物下降時再生能量 能收回，調速范圍較大，能無級調速 位能反抗 起升運行
變極調速 1：2~1：4 高 1.一般采用鼠籠式異步電機，只能適用于小容量起重機上2.有極調速，調速范圍小 位能反抗 起升運行
變頻調速 1：100 高 1.速度可在整個調速范圍內連續控制2.有恒轉矩性能，基頻以上恒功率調速3.性能最優，但需專用變頻裝置，本錢高 位能反抗 起升運行
2．變頻調速系統
前已提到異步電動機的轉速公式為：
n= 60ƒ1 (1-s) (2-1)
pn
式中s —異步電動機的轉差率，s=(no-n)/no。其中no為同步轉速。改變異步電動機的供電頻率，可以改變其同步轉速，實現調速運行。
對異步電動機進行調速控制時，通常要考慮的一個重要因素是，希看電動機的主磁通保持額定值不變。磁通太弱，鐵心利用不充分，同樣的轉子電流下，電磁轉矩小，電動機的負載能力下降；磁能太強，則處于過勵磁狀態，使勵磁電流過大，這就限制了定子電流的負載分量，負載能力也要下降。對于直流電機，勵磁系統是獨立的，只要對電樞反應的補償合適，保護фm不變是很輕易做到的。在交流異步電機中，氣隙磁通（主磁通）是定子和轉子磁動勢合成產生的，怎樣才能保護磁通恒定呢？下面說明之。
由電機理論知道，三相異步電動機定子每相電動勢的有效值是
Eg=4.44ƒ1N1фm （2-2）
式中Eg—氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值（V）；
f1—定子頻率（Hz）；
N1—定子每相繞組串聯匝數；
фm—每極磁通量（Wb）。
由式（2-2）可見，фm的值是由Eg和f1共同決定，對Eg和f1進行適當的控制，就可以負氣隙磁通фm保持額定值不變，達到控制фm的目的。對此，需要考慮基頻（額定頻率）以下和基頻以上兩種情況。
（1） 基頻以下調速，為了保持電動機的負載能力，應保持氣隙磁通фm不變，這就要求頻率f1從額定值向下調節時，必須同時降Eg使
Eg =常數
ƒ
即保持電動勢與頻率之比常數進行控制。這種控制又稱為恒磁通變頻調速，屬于恒轉矩調速方式。
但是，Eg難于直接檢測和直接控制。（當Eg和f1的值較高時，定子的漏阻抗壓降相對比較小，如忽略不計，則可近似地保持定子相電壓U1和頻率f1的比值為常數，即以為U1= Eg，保持U1/ f1=常數即可）。這就是恒壓頻比控制方式，是近似的恒磁通控制。
低頻時，U1和Eg都較小，定子漏阻抗壓降（主要是定子電阻壓降）不能在忽略。這種情況下，可以人為地適當進步定子電壓以補償定子電阻壓降的影響，負氣隙磁通基本保持不變。如圖2-1所示，其中I為U1/ f1=C時電壓，頻率關系，II為有電壓補償時（近似的Eg/ f1=c）的電壓，頻率關系。
圖2-1 恒壓頻比控制特性
（2）基頻以上調速
在基頻以上調速時，頻率可以從f1N往上增上，但電壓U1卻不能超過額定電壓UN，最多只能保持U1=U1N。由式2-2可知，這必然會使主磁通фm隨著f1的上升而減小，相當于直流電動機弱磁升速的情況，屬于近似的恒功率調速方式。
把基頻以下和基頻以上兩種情況結合起來，可得圖2-2所示的異步電機變壓變頻調速控制特性，即異步電機變頻調速的基本控制方式
圖2-2 異步電機變壓變頻調速控制特性
根據電機學原理，在下述假定條件下：①忽略空間和時間諧波；②忽略磁飽和；③忽略鐵損。異步電機在正弦波恒壓恒頻供電下的機械特性方程式,由下式表示：
(2-3)
各參數定義如下：
R1、R2’——定子每相電阻和折合到定子側的轉子每相電阻；
L11+L12’——定子每相漏感和折合到定子側的轉子每相漏感；
U1、ω1 ——定子相電壓和供電角頻率；
s ——轉差率；
pn ——極對數。
當s很小時，可忽略上式分母中含s的各項，則
(2-4)
即s很小時，轉矩近似與s成正比，機械特性Te=f（s）是一段直線，如圖2-3所示。
當s接近于1時，可忽略式（2-3）分母中的R2’，則
(2-5)
圖2-3 恒壓恒頻異步電機的機械特性
即s接近于1時轉矩近似與s成反比，這時，Te=f（s）是對稱于原點的一段雙曲線。當s為以上兩段的中間數值時，機械特性以直線段逐漸過渡到雙曲線段。
基于式（2-3），我們來推導一下異步電機變頻調速的機械特性，分基頻以下和基頻以上兩種情況。
（一）基頻以下、頻率協調控制時的機械特性
由式（2-3）的機械特性方程式可以看出，對于同一組轉矩Te和轉速n（或轉差率s）的要求，電壓U1和頻率ω1可以有多種配合。在U1和ω1的不同配合下機械特性也是不一樣的，因此，可以有不同方式的電壓、頻率協調控制。
（1）恒壓頻比控制（U1/ω1=c）
為了近似地保持氣隙磁通фm不變，以便充分利用電機鐵心，發揮電機產生轉矩的能力，在基頻以下須采用恒壓頻比控制。這時，同步轉速自然要隨頻率變化。
式中n0—同步轉速（r/min）
因此，帶負載時的轉速降落∆n為
式中∆n—轉速降落（r/min）
在式（2-3）所表示的機械特性的近似直線段上，可以導出
由此可見，當U1/ω1為恒值時，對于同一轉矩Te，sω1是基本不變的，因而∆n也是基本不變的。這就是說，在恒壓頻比條件下改變頻率時，機械特性基本上是平行下移的，如圖2-4所示。它們和他勵直流電機變壓調速時特性的變化情況相似，所不同的是，當轉矩增大到最大值以后，轉速再降低，特性就折回來了。而且頻率低時最大轉矩越小。
U1 /ω1 =c，最大轉矩Temax隨角頻率ω1的變化關系為
(2-6)
圖2-4 恒壓頻比控制時變頻調速的機械特性
可見Temax是隨著ω1的降低而減小的。頻率很低時，Temax太小，將限制調速系統的帶載能力。采用定子壓降補償，適當地進步電壓U1可以增強帶載能力。
（2）恒Eg/ω1控制
圖2-5給出了異步電機的穩態等效電路，圖中幾處感應電動勢的意義如下：
Eg—氣隙磁通在定子每相繞組中的感應電動勢；
Es—定子全磁通的感應電動勢；
Er—轉子全磁通的感應電動勢（折合到定子邊）。
圖2-5 異步電機穩態等效電路和感應電動勢
假如在電壓、頻率協調控制中，恰當地進步電壓U1的份量，使它在克服定子阻抗壓降以后，能維持Eg/ω1為恒值（基頻以下），則由式（2-2）可知，無論頻率高低，每極磁通фm均為常值，由圖2-5可以得到
將它代進電磁轉矩基本關系式，得
(2-7)
這就是恒Eg/ω1時的機械特性方程式
利用與前相似的分析方法，當s很小時，可忽略式（2-7）分母中含s2項，則有
（2-8）
這表明機械特性的這一段近似為一條直線。當s接近1時，可忽略式（2-7）分母中的R2’2項，則有
（2-9）
對比式（2-3）和式（2-7）可以看出，恒Eg/ω1，特性分母中含s的參數要小于恒U1/ω1特性中的同類項，也就是說，s值要更大一些才能使該項占有明顯的份量，從而不能被忽略，因此恒Eg/ω1特性的線形段范圍更寬。圖2-6給出了不同控制方式的機械特性。
將式（2-7）對s求導，并令dTe/ds=0，可得Eg/ω1，控制特性在最大轉矩時的轉差率
（2-10）
和最大轉矩
2-6 不同電壓、頻率協調控制方式時的機械特性
Ⅰ-恒控制U1/ω1控制 Ⅱ-恒控制Eg/ω1控制 Ⅲ-恒控制Er/ω1控制
可見，當Eg/ω1為恒值時，Temax恒定不變。可見恒Eg/ω1控制的穩態性能是優于恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制的，它正是恒U1/ω1控制中補償定子壓降所追求的目標。
（3）恒控制Er/ω1控制
假如把電壓、頻率協調控制中的電壓U1進一步再進步一些，把轉子漏抗上的壓降也抵消掉，便得到Er/ω1控制，由圖2-5可得到
（2-11）
代人電磁轉矩基本關系式，得
由于分母中沒有s, 這時的機械特性Te=f（s）完全是一條直線，如圖2-6所示，顯然，恒Er/ω1控制的穩態性能最好，可以獲得和直流電機一樣的線性機械特性。這正是高性能交流變頻調速所要求得性能。按照式（2-2）電動勢和磁通得關系，可以看出，當頻率恒定時，電動勢與磁通成正比。氣隙磁通的感應電動勢Eg對應于氣隙磁通幅值фm，那么，轉子全磁通的感應電動勢Er就應該對應于轉子全磁通幅值фm
Er=4.44f1N1фrm （2-12）
由此可見，只要能夠按照轉子全磁通幅值фm=恒值進行控制，就可獲得恒Er/ω1控制。這正是矢量控制系統的目標。
（二）基頻以上變頻調速時的機械特性
（2-13）
在基頻f1N以上變頻調速時，由于電壓U1=U1N不變，式（2-3）的機械特性方程式可寫成
最大轉矩表達式為
（2-14）
同步轉速仍為 ，由此可見，當角頻率ω1進步時，同步轉速隨之進步，
最大轉矩減小，機械特性上移，如圖2-7所示。由于頻率進步而電壓不變，氣隙磁通必然減小，導致轉矩的減小，但轉速升高了，可以以為輸出功率基本不變。所以，基頻以上變頻調速屬于弱磁恒功率調速。
圖2-7 基頻以上變頻調速的機械特性
2.2 矢量控制的基本思想
交流電動機矢量控制原理是1971年由F.Blaschke提出的，其基本思想是想法模擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制，使之能夠象直流電機調速系同一樣具有良好的動、靜態性能。直流電機調速性能好的根本原因是由于其磁通和轉矩能很輕易通過調節勵磁電流和電樞電流分別得到控制。以他勵直流電動機為例，其電磁轉矩表達式如下式所示：
Te=CmФIa （2-15）
式中Te為電磁轉矩；Cm為轉矩系數；Ф為磁通；
Ia為電樞電流。由于電樞電流Ia所產生的電樞磁
通和勵磁磁通Ф是相互垂直的，如圖2-8所示，
再加上一定的補償以后，電樞反應對主磁場祛磁
的實際影響是很小的。因此，可以以為，Ф和Ia
是互不相關的獨立變量，磁通Ф只與勵磁電流If
有關。假如保持If不變，即Ф不變，則Te與Ia
成正比，調節和控制電樞電流Ia也就直接調節和
控制了電磁轉矩Te，從而使轉矩控制具有良好的
動態性能。 圖2-8 直流電機磁勢圖
異步電動機與直流電機不同，異步電動機的電磁轉矩表達式如下式所示：
Te=CmФIrcosφr （2-16）
式中Ф為氣隙磁通，Ir為轉子電流；φr為轉子電流Ir滯后轉子電勢的電角度；
Cm為異步感應電動機轉矩系數。由于轉子阻抗角 ，異步電動機的轉
矩不僅與轉子電流Ir和氣隙磁通Ф有關，而且與轉速（轉差率s）有關，Ir和Ф兩個量既不成直角，又不是兩個獨立變量，因此不能以簡單的方法進行磁通和轉矩的單獨控制，因此，要在動態中正確地控制轉矩顯然比較困難。要解決這個題目，一種辦法是從根本上上改造交流電機，改變其產生轉矩的規律，迄今為止，在這方面的研究成效尚少。另一種辦法是在普通的三相交流電動機上想法模擬直流電機控制轉矩的規律，通過電機同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矩電流分量，把固定坐標系變換為旋轉坐標系解耦后，交流量的控制變為直流量的控制便等同于直流電動機。即假如在調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矩一樣，能使系統具有較好的動態持性。這就是矢量控制或稱矢量變換控制的基本思想。
眾所周知，對三相靜止的對稱繞組A、B、C通以三相正弦交流電流iA、iB、iC時，便產生轉速為ω1的旋轉磁場Ф。如圖2-9（a）所示。然而，旋轉磁場并不一定非要三相不可，兩相、四相等任意對稱的多相繞組，通以平衡的多相電流，都能產生旋轉磁場。圖2-9（b）是兩相靜止繞組α和β廠（空間位置相差900），通以兩相平衡電流Iα和Iβ（時間上差900）時所產生的旋轉磁場Ф。當圖2-9（a）和2-9（b）中所示的旋轉磁場的大小與轉速都相同時，則兩套繞組等效，再看圖2-9（c）中的兩個匝數相等且互相垂直的繞組M和T，分別通以直流電流iM和iT，產生位置固定的磁通Ф。假如使兩個繞組同時以同步轉速ω1旋轉，磁通Ф自然隨著旋轉起來，而成為旋轉磁場，并可以和圖2-9（a）、（b）中的繞組等效。但假如觀察者站到鐵心上和繞組一起旋轉時，在他看來，M、T是兩個通以直流的互相垂直的靜止繞組。假如取磁通Ф的位置和M繞組的平面正交，就和等效的直流電動機繞組沒有差別了。這樣，以產生同樣的旋轉磁場為準則，圖2-9（a）中的三相繞組，（b）中的兩相繞組和（c）中的直流繞組等效。iA、iB、iC與iα和iβ及iM、iT之間存在著確定的關系，即矢量變換關系。這樣只要按照某個規律往控制三相電流iA、iB、iC就可以等效地控制iM和iT來達到所需控制轉矩的目的。
圖2-9 等效的交流電動機繞組與直流電動機繞組
2.3變頻器的基本構成
變頻器分為交-交和交-直-交兩種形式。交-交變頻器可將工頻交流直流接變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱直接式變頻器。而交-直-交變頻器則是先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。
變頻器的基本構成如圖2-10所示，由主回路（包括整流器、中間直流環節、逆變器）和控制回路組成，分述如下：
圖2-10 變頻器的基本構成
（1）整流器 電網側面的變流器I是整流器，它的作用是把三相（也可以是單相）交流整流成直流。
（2）逆變器 負載側面的變流器Ⅱ為逆變器。最常見的結構形式是利用六個主開關器件組成的三相橋式逆變電路。有規律的控制逆變器中主開關的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。
（3）中間直流環節 由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載。無論電動機處于電動或發電制動狀態，其功率因數總不會為1。因此，在中間直流環節和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環節的儲能元件（電容器或電抗器）來緩沖。所以又常稱中間直流環節為中間直流儲能環節。
（4）控制電路 控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸進、輸出電路和驅動電路等構成。其主要任務是完成對逆變器的開關控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等。控制方法可以采用模擬控制或數字控制。高性能的變頻器目前已經采用微型計算機進行全數字控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。由于軟件的靈活性，數字控制方式常可以完成模擬控制方式難以完成的功能。
（5）關于變流器名稱的說明 對于交-直-交變頻器在不涉及能量傳遞方向的改變時，我們常簡明地稱變流器Ⅰ為整流器，變流器Ⅱ為逆變器（如圖），而把圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ總起來稱為變頻器。實際上，對于再生能量回饋型變頻器，Ⅰ、Ⅱ兩個變流器均可能有兩種工作狀態：整流狀態和逆變狀態。當討論中涉及變流器工作狀態轉變時，Ⅰ、Ⅱ不再簡稱為“整流器”和“逆變器”而稱為“網側面變流器”和“負載側變流器”。
2.4變頻器的起動狀態
變頻起動中，是通過控制異步電動機的定子電壓和定子頻率來獲得所需的起動性能。根據工程的需要，一般盡量減小起動電流，這樣可以減小變頻器的容量。對起動時間的設定并不追求越短越好，假如保證主磁通為額定值通過恰當地設定起動時間，相當于間接地選擇了起動過程中的動態轉矩，可以減小起動電流和起動損耗。所以起動時常有幾種情況：或起動電流最小、或起動損耗最小、或起動時間最短。另外，還要考慮避免過大的機械沖擊，使起動過程緩和、平滑等。根據變頻器的功能有如下幾種起動方式可供選擇。
(1)限流加速 對于有轉矩控制功能的變頻器和矢量控制式變頻器，由于具有快速的電流限制功能，即使轉速指令設定成階躍指令，變頻器本身也能把電流限制在答應值以內。就是說可以用變頻器的答應最大轉矩，實現盡可能快的起動過程。起動中電流可以被限制在人為設定的范圍以內。
(2)限時加速 U/f控制式變頻器，多數不具備積極限制電流的功能，電流沖擊過大，可能造成過電流跳閘。對于階躍式的轉速設定，往往在變頻器的內部將其變換成隨時間線性上升的指令。為了防止過電流，常要調整起動時間，使之與生產機械相適應。以期在不出現過電流的條件下，盡量縮短起動時間，這就是起動時間設定所要遵循的一般原則。
表2-1 變頻起動的三種方式
加速方式 控制方法 說明圖 備注
限流加速 加速中電流被抑制在固定值上，可以實現對變頻裝置和生產機械的過載與沖擊的限制 ×加速中,電動機轉矩保持恒定×矢量控制式變頻器常采用該方式
限時加速 階躍的速度指令變換成隨時間線性變化的指令，是一種加速度限制控制方式 ×加速轉矩一定×U/f控制和矢量控制變頻器中采用
S形加速 在上面的基礎上限制轉矩的變化率，可以實現平穩起動 U/f控制和矢量控制變頻器中采用
(3)S形加速 S形加速的目的是使加速過程變得緩和些。為了使電梯乘員感到舒適或者使傳送帶所載的物品不致倒塌常采用這種S形加速方式。在起動初期和起動末了的加速度，隨時間有一個漸變的過程。
上述三種起動方式的性能與用途的比較見表2-1。
這里說明一個題目，通用變頻器中的加、減速時間設定功能所設定的時間，是指由從零頻率上升到變頻器最高頻率和從變頻器最高頻率下降到零頻率的時間。加速時間設定的約束是將電流限制在過電流容量之內，不應使過電流保護動作；減速時間設定約束是防止直流回路（濾波電容器）電壓過高，不應使過電壓保護動作。
2.5變頻器的制動狀態
在變頻器、異步電動機和機械負載所組成的變頻調速傳動系統中，當電動機減速或者所拖動的位能負載下放時，異步電動機將處于再生發電制動狀態。傳動系統中所儲存的機械能經異步電動機轉換成電能。逆變器的六個回饋二極管將這種電能回饋到直流側。此時的逆變器處于整流狀態。假如在標準型的變頻器中（網側變流器為不控的二極管整流橋）不采取另外的措施，這部分能量將導致中間回路的儲電電容器的電壓上升。假如電動機的制動并不太快，電容器電壓升高的值并不十分明顯，一旦電動機恢復到電動狀態，這部分能量又被負載所重新利用。電容器電壓升高過大，裝置中的“制動過電壓保護”將動作，保護變頻裝置的安全，所以當制動過快或機械負載為提升機時，這部分再生能量的處理題目就應認真對待了。
在變頻器中，對再生能量的處理方式有三種：1）耗散到直流回路中人為設置的與電容器并聯的“制動電阻”中，變頻器通過制動單元（分外置、內置兩種）將再生制動能量消耗在制動電阻上；2）由并聯在直流回路上的其他傳動系統吸收；3）使之回饋到電網。假如屬于前兩種工作狀態，稱為動力制動狀態；假如屬于后一種工作狀態，則稱為再生制動狀態。應該留意，這是從整個系統角度視再生電能是否能回饋到交流電網而定義的兩種工作狀態。在這兩種狀態下，異步電動機自身均處于再生發電制動狀態。
3. 變頻器的應用
3.1 變頻器容量的計算
（1） 連續運轉時所需的變頻器容量的計算式
（3-1）
（3-2）
（3-3）
式中PM──負載所要求的電動機的軸輸出功率；
η──電動機的效率（通常約0.85）；
cos*──電動機的功率因素（通常約0.75）；
UM──電動機電壓（V）；
IM──電動機電流（A），工頻電源時的電流；
k── 電流波形的修正系數（PWM方式取1.05~1.0）；
PcN──變頻器的額定容量（kVA）；
IcN──變頻器的額定電流（A）；
（2）一臺變頻器傳動多臺電動機并聯運行，即成組傳動時，變頻器容量的計算。當變頻器短時過載能力為150％，1min時，假如電動機加速時間在1min以內
即 （3-4）
（3-5）
當電動機加速時間在1min以上時，
（3-6）
（3-7）
式中PM──負載所要求的電動機的軸輸出功率；
nT──并聯電動機的臺數；
ns──同時啟動的臺數；
η──電動機效率（通常約0.85）;
cos*──電動機功率因素（通常約0.75）；
PCN1──連續容量（kVA），PCN1=kPMnT/ηcosφ
KS──（電動機啟動電流）/（電動機額定電流）；
IM──電動機額定電流（A）
k──電流波形的修正系數（PWM方式取1.05~1.10）；
PCN──變頻器容量（kVA）
IcN──變頻器額定電流。
（3） 大慣性負載起動時變頻器容量的計算
（3-8）
式中GD2──換算到電動機軸上的總GD2（N·M2）；
TL──負載轉矩（N·m）；
h──電動機效率（通常約0.85）
cosj──電動機功率因數（通常約0.75）
xA──電動機加速時間（s），根據負載要求確定；
k──電流波形的修正系數（PWM方式取1.05~1.10）；
nM──電動機額定轉速（r/min）；
PCN──變頻器容量（kVA）。
變頻器與異步電動機組成不同的調速系統時，變頻器容量的計算方法也不同。本小節第（1）所列，適用于單臺變頻器為單臺電動機供電連續運行的情況。式（3－1）、式（3－2）和式（3－3）三者是同一的，選擇變頻器容量時應同時滿足三個算式的關系。尤其變頻器電流是一個較關鍵的量。本小節第(2)所列，適用于一臺變頻器為多臺并聯電動機供電且各電動機不同時起動的情況。選擇逆變器容量，無論電動機加速時間在1min以內或以上，都應同時滿足容量計算式和電流計算式。本小節第(3) 所列，是針對大慣量負載的情況，例如吊車的平移機構、離心式分離機、離心式鑄造機等，負載折算到電動機軸上的等效GD2 比電動機轉子的GD2大得很多。這種情況下則應按式(3-8)選擇變頻器的容量。
3.2 變頻器的外圍設備及其選擇
變頻器的運行離不開某些外圍設備。這些外圍設備通常都是選購件。選用外圍設備常是為了下述目的：a. 進步變頻器的某種性能；b..變頻器和電動機的保護；c. 減小變頻器對其他設備的影響等。
(1) 變頻器外圍設備的種類與用途 變頻器的外圍設備如圖3-1所示。
下面分別說明用途與留意事項等。
圖3-1 變頻器的外圍設備
1— 電源變壓器T 2—電源側斷路器QF 3—電磁接觸器1KM
4—無線電噪聲濾波器FIL 5—電源側交流電抗器1ACL
6—制動電阻R 7—電動機側電磁接觸器2KM
8—工頻電網切換用接觸器3KM 9—電動機側交流電抗器2ACL
a. 電源變壓器T: 電源變壓器用于將高壓電源變換到通用變頻器所需的電壓等級，例如220V量級或400V量級等。變頻器的輸進電流含有一定量的高次諧波，使電源側的功率因數降低，若再考慮變頻器的運行效率，則變壓器的容量常按下式考慮：
變壓器的容量(KVA)＝
其中變頻器功率因數在有輸進交流電抗器1ACL時取0.8—0.85，無輸進電抗器1ACL時則取0.6-0.8。變頻器效率可取0.95，變頻器輸出功率應為所接電動機的總功率。
變頻器生產廠家所推薦的變壓器容量的參考值，常取變頻器容量的130%左右。
b. 電源側斷路器QF 用于電源回路的開閉，并且在出現過流或短路事故時自動切斷電源，以防事故擴大。假如需要進行接地保護，也可以采用漏電保護式斷路器。使用變頻器無例外地都應采用QF。
c. 電磁接觸器1KM 用于電源的開閉，在變頻保護功能起作用時，切斷電源。對于電網停電后的復電，可以防止自動再投進以保護設備的安全及人身安全。
d. 無線電噪聲濾波器FIL 用于限制變頻器因高次諧波對外界的干擾，可酌情選用。
e. 交流電抗器1ACL和2ACL 1ACL用于抑制變頻器輸進側的諧波電流，改善功率因數。選用與否視電源變壓器與變頻器容量的匹配情況及電網電壓答應的畸變程度而定。一般情況以采用為好。2ACL用于改善變頻器輸出電流的波形，減低電動機的噪聲。
d. 制動電阻單元R 用于吸收電動機再生制動的再生電能。可以縮短大慣量負載的自由停車時間。還可以在位能負載下放時，實現再生運行。
e. 電磁接觸器2KM和3KM 用于變頻器和工頻電網之間的切換運行。在這種方式下2KM是必不可少的，它和3KM之間的聯鎖可以防止變頻器的輸出端接到工頻電網上。一旦出現就頻器輸出端誤接到工頻電網的情況，將損壞變頻器。假如不需要變頻器——工頻電網的切換功能，可以不要2KM。留意，有些機種要求2KM只能在電動機和變頻器停機狀態下進行開閉。
（2） 制動電阻的計算 在異步電動機因設定頻率下降而減速時，假如軸轉速高于由頻率所決定的同步轉速，則異步電動機處于再生發電運行狀態。運動系統中所薦儲的動能經逆變器回饋到直流側，中間直流回路的濾波電容器的電壓會因吸收這部分回饋能量而進步。假如回饋能量較大，則有可能使變頻器的過壓保護功能動作。利用制動電阻可以耗散這部分能量，使電動機的制動能力進步。制動電阻的選擇，包括制動電阻的阻值及其容量的計算，可按如下步驟進行。
a. 制動轉矩的計算 制動轉矩TB可由下式算出：
TB= （N×m） (3-9)
式中 GD2M——電動機的GD2（N×m2）；
GD2L ——負載折算到電動機軸上的GD2（N×m2）；
TL ——負載轉矩（N×m）；
n1——減速開始速度（r/min）；
n2——減速完了速度（r/min）；
ts——減速時間（S）。
b. 制動電阻阻值的計算 在附加制動電阻進行制動的情況下，電動機內部的有功損耗部分，折合制動轉矩，大約為電動機額定轉矩的20%。考慮到這一點，可用下式計算制動電阻的值
RBO= (Ω) （3-10）
式中 UC——直流回路電壓（V）；
TB——制動轉矩（N×m）；
TM——電動機額定轉矩；
n1——開始減速時的速度。
假如系統所需制動轉矩TB〈0.2TM，即制動轉矩在額定轉矩的20%以下時，則不需要另外的制動電阻，僅電動機內部的有功損耗的作用，就可使中間直流回路電壓限制在過壓保護的動作水平以下。
由制動晶體管和制動電阻構成的放電回路中，其最大電流受制動晶體管的最大答應電流IC的限制。制動電阻的最小答應值Rmin（Ω）為
Rmin= (3-11)
式中 UC——直流回路電壓（V）。
因此，選用的制動電阻RB應按
Rmin 的關系來決定。
c. 制動時均勻消耗功率的計算 如前所述，制動中電動機自身損耗的功率相當于20%額定值的制動轉矩，因此制動電阻器上消耗的均勻功率Pro(KW)可以求出：
Pro=1.047(Tb-0.2TM) (KW) (3-13)
d. 電阻器額定功率的計算 視電動機是否重復減速，制動電阻器額定功率的選擇是不同的。圖3-2所示為電動機減速模式。當非重復減速時，如圖 3-2b所示，制動電阻的間歇時間（T-ts）>600s。通常采用連續工作制電阻器，當間歇制動時，電阻器的答應功率將增加。答應功率增加系數m 和制動電阻使用率D=ts/T之間的關系曲線如圖3-2a所示。D=ts/T，意義見圖3-2a 。
圖3-2 減速模式
a）重復減速 b）非重復減速
根據電動機運行的模式，可以確定制動時的均勻消耗功率和電阻器的答應功
率增加系數，據此可以求出制動電阻器的額定功率Pr
Pr= (KW) (3-14)
根據如上計算得到的RBO和Pr，可在市場上選擇合乎要求的標準電阻器。
3.3 日本安川公司616G5變頻器簡介
1． 變頻器的基本構成與功能
1） 主回路
給異步電動機提供調頻調壓電源的電力變換部分稱為主回路
a．整流器
把工頻電源變換為直流電源，電功率的傳送不可逆
b．濾波器
在整流器整流后的直流電壓中，含有脈動電壓，此外，逆變器回路產生的脈動電流也使直流電抗器和電容器吸收脈動電（電流）。
c．逆變器
逆器的作用是在所確定的時間里有規則地使六個功率開關器件導通、關斷，從而將直流功率變換為所需電壓和頻率的交流輸出功率。
d．制動單元
異步電機在再生制動區域運行時，再生能量首先儲存于儲能電力電容器中，使直流電壓升高。對起重機機械系統慣量所積蓄的能量比電容器能儲存的能量大，并且需要快速制動，必須用可逆變流器把再生能量反饋到電網側，這樣節能效果更好，或設置制動單元，把多余再生功率消耗掉，以免直流回路電壓的上升超過限值。
2） 控制回路
a． 將外部的轉速、轉矩等指令同檢測回路的電流、電壓信號進行比較運算，決定變頻器的輸出電壓、頻率。
b．電壓/電流檢測回路
檢測主回路電壓、電流等
c．驅動回路
驅動主回路功率開關器件，使之導通、關斷。
d．轉速檢測回路
檢測速度信號送進運算回路
3） 保護回路
保護回路可分為變頻器保護和異步電機的保護
2,變頻器的保護
（1） 瞬時過電流保護
由于變頻器負載側短路等原因，流過變頻器元件的電流達到異常值時，立即停止工作。
（2） 過載保護
變頻器電流超過一定值，且連續流通超過規定時間，停止工作。
（3） 再生過電壓保護
采用變頻器使電動機快速減速時，由于再生功率引起直流電路電壓升高超過答應值時，停止運行。
（4） 瞬時掉電保護
（5） 對地過電流保護
（6） 冷卻風機異常
異步電機的保護
（1） 過載保護
（2） 超速保護
變頻器的輸出頻率或者變頻電動機的速度超過規定值時，停止變頻器運行。
4,安川變頻器結構形式
1） 整流器：AC→DC二極管整流2UO=Ed
2） 充電限流電阻R：抑制di/dt
3） 旁路接觸器MC：線圈控制過程，電壓檢測方式80%EdN
4） 濾波電容C：濾波、儲能、抑制電壓突變（瞬停保護）
5） F快速熔斷器：保護IGBT以防故障進一步擴展。
6） AC、CT1、DC、CT2：電流互感器，因DC中電注含有較高諧波分量，AC電流是變頻f變化，且不是規范的50HZ正弦波，因此備件定貨時，一定采用同類產品。
7） 主功率器件IGBT：檢查方法，器件更換時，型號、導熱膠、三菱（CM）、東芝、富士電壓等級（CM400HA-24GCM300HA-12G）
8） 浪涌尖峰噪聲吸收模塊（R、C、D）開關速度過快（頻率過高）
9） 充電指示燈：DC27V以上
10）冷卻風機檢測、溫度檢測、MC輔助觸點檢測。
11）PG及PG卡：600P/R，A相、B相脈沖。
12）驅動板，供電電源由Upn提供并向主控板手持編程器提供門極驅動板與主回路相關聯，因此易損壞。
13）通訊卡（P-2161/F）安全、可靠、速度快。
14）制動單元及制動電阻，制動單元電壓跳線器設置考慮，制動電阻溫升阻值。
15）手持全數字編程器
2.維修留意事項
1） 所有維修工作必須在輸進側斷路器OFF，且充電指示燈滅后進行。
2） IGBT門極開路條件下，不答應主回路通電。
3） 所有電解電容（包括主控板、驅動板）冷卻風機，應按照使用說明書。
4） 由于INV載波頻率高，空間電場強，應定期對主控板、驅動板除塵。
5） RTG行走震動大，應定期緊固螺絲。
6） 在空載條件下，對5檔速度下的電流、電壓、頻率，在加速、恒速、減速制動時進行記錄。定期檢查，維修后進行比較，若偏差＞20%，則應查找原因或同安川公司聯系。參數監測可用手操器或機上表頭。
4．端子說明
5,控制模式（四種）
控制模式 V/f控制 帶PG V/f控制 開環矢量控制 閉環矢量控制
控制模式 電壓/頻率控制 電壓/頻率控制帶速度補嘗 電流矢量不帶PG控制 電流矢量帶PG控制
速度檢出器 不要 要（PG） 不要 要（PG）
速度檢出器Option 不要 PG-A2，PG-D2 不要 PG-B2，PG-X2
速度控制范圍 1：40 1：40 1：100 1：1000
啟動轉矩 150%/3HZ 150%/3HZ 150%/1HZ 150%/0r/min
速度控制精度 ±2%~±3% ±0.03% ±0.2% ±0.02%
轉矩控制 不可 不可 不可 可以
適用用途 同時驅動多臺電機，電機參數不知道，不能進行自學習 簡易速度反饋控制機械側已安裝PG 需多種調速的場合 簡易伺服驅動，高精度速度控制，力矩控制
主要參數設置說明
An環境參數
A1-00語言選擇：0：英語 1：日本語 2：德語 3：法語
A1-01訪問等級：2：QUICK-START 3：BASIC 4：ADVANCED
A1-02控制模式：0：無PG V/f控制 1：有PG V/f控制
2：無PG 矢量控制 3：有PG 矢量控制
A1-03初始化： 回到出廠時設定
bn應用參數
b1-01（0-4）頻率指令輸進方法
0：數字操縱器 1：模擬量端子
2：MEMOBUS傳送（S1-K2）與GEPLC以及其他廠家PLC
3：選擇卡（CP-216）
4：MEMOBUS傳送（CP-717專用）
b1-02（0-4）運行指令輸進方法選擇
0：數字操縱器 1：模擬量端子
2：MEMOBUS傳送（S1-K2）與GEPLC以及其他廠家PLC
3：選擇卡（CP-216）
4：MEMOBUS傳送
b1-03（0-4）停止方式選擇
0：減速停車 1：自由滑車
2；DC制動 3：帶計時器停車
b1-04（0-4）反轉選擇
0：可以反轉 1：不能反轉
Cn調整參數
C1-01加速時間1 C1-02減速時間1
C1-03加速時間2 C1-04減速時間2
C1-05加速時間3 C1-06減速時間3
C1-07加速時間4 C1-08減速時間4
C1-09快速停車時間 C1-10加減速時間單位（0-1）
0：0.01秒 1：0.1秒
C2-01~C2-04 S曲線
dn指令參數
d1-01~d1-08：速度選擇
d1-01頻率指令1 d1-02頻率指令2
d1-03頻率指令3 d1-04頻率指令4
d1-05頻率指令5 d1-06頻率指令6
d1-07頻率指令7 d1-08頻率指令8
d1-09點動頻率
d2-01~d2-02：輸出頻率上/下限
d2-01輸出頻率上限
d2-02輸出頻率下限
En電機參數
E1-01~E1-13：電機額定參數
E1-01 input voltage E1-02 motor selection
E1-03 V/f election E1-04 max frequency
E1-05 max voltage E1-06 base frequence
E1-07 mid frequency A E1-08 mid voltage A
E1-09 mid frequency E1-10 min voltage
E1-11 mid frequency B E1-12 mid voltage
E1-13 base voltage
E2-01~E2-10電機動態參數
E2-01 motor rated current
E2-02 motor rated slip
E2-03 motor no-load current
E2-04 number of motor poles
E2-05 motor line-to –line resistance
E2-06 motor leak inductance
E2-07 motor iron-core saturatio coefficient 1
E2-08 motor iron-core saturatio coefficient 2
E2-09 motor mechanical loss
E2-10 motor iron-core loss
Fn任選功能參數
F1-01~F1-12 PG速度卡參數
F1-01 PG constant 600P/R
F1-02 operation selection at PG open circuit(0-3)
0：減速停止 1：自由滑行停止
2：非常停止 3：繼續運行
F1-03 opertion selection at over speed
0：減速停止 1：自由滑行停止
2：非常停止 3：繼續運行
F1-04 operation selection at deviation
0：減速停止 1：自由滑行停止
2：非常停止 3：繼續運行
F1-05 PG rotation
0：電機正轉時A相超前
1：電機正轉時B相超前
F1-06 PG division rate
F1-07 integral ＆#118alue durning accel/decel enable /disable
0：無效
1：有效
F1-08 overspeed detection lever
F1-09 overspeed detection delay time
F1-10 excessive speed deviation detection lever
F1-11 excessive speed deviation detection delay time
F1-12 PG open-cir-detection time
F2模擬量指令卡
Hn.多功能端子定義參數
H1-01~H1-06（3-8端子）
設定范圍0-77
H2-01~H2-03（設定范圍0-37）
H2-01（9-10端子）
H2-02（25-27端子）
H2-03（26-27端子）
H3-01~H3-12模擬量輸進端子定義
Ln.保護參數
L1-01~L1-02過載保護
L1-01 motor protection selection(0-1)
0：電子熱保護無效
1：電子熱保護有效
L2-01~L2-06瞬間掉電保護過載保護
L6-01~L6-06過轉矩檢測
L7-01~L7-04轉矩限制
Un 監視參數
U1-01~U1-38狀態監視
U1-01頻率指令 U1-02輸出頻率
U1-03輸出電流 U1-04控制方式
U1-05電機速度 U1-06輸出電壓指令
U1-07主回路直流電壓
U2-01~U2-14故障監視
U2-01現在發生的故障
U2-0 2過往故障
U2-03故障時頻率指令
U2-04故障時輸出頻率
U2-05故障時的輸出電流
U2-06故障時的電機速度
U2-07故障時輸出電壓指令
U2-08故障時主回路直流電壓
U2-09故障時輸出功率
U2-10故障時力矩指令
U2-11故障時輸進端子運行狀態
U2-12故障時輸出端子狀態
U2-13故障時運行狀態
U2-14故障時累計運行時間
U3-01~U3-08故障記錄
U3-01前一次故障內容
U3-02前二次故障內容
U3-03前三次故障內容
U3-04前四次故障內容
U3-05前一次故障發生到現在累計時間
U3-06前二次故障發生到現在累計時間
U3-07前三次故障發生到現在累計時間
U3-08前四次故障發生到現在累計時間
7．常見故障分析及處理
A．Fault(故障)
OC(overcurrent)短路接地、加/減速時間過短、超載、電機盡緣不良、PG異常。
GF（ground fault）INV輸出接地、電機壞
PUF(fuse open)快熔斷
SC（short circuit）INV 輸出斷路、MOTOR接地
UV1（DE bus undervoltage）掉電、輸進缺相、松動、電壓波動過大
UV2（control power fault）控制電源掉電
PF（input phase loss）輸進缺相、松動
PGO（PG open）脈沖編碼器斷線或接線不正確
報出上述故障時，應檢查PG、主回路器件。此時輸進空開OFF，INV輸出開路，將MOTOR脫開。
B．Minor fault（故障警告）
OV（DC over voltage）加/減速時間太短，制動電阻功率太小，電阻發熱UV（欠電壓）
OL1（motor overload）加/減速時間太短
OL2（inverter overload）加/減速時間太短，容量偏小
OL3（overtorque det1）過轉矩
6,變頻調速技術在港口起重機上的應用特點
近幾年來, 隨著港口運輸事業的發展, 港口起重機開始向大型化、專業化方向發展, 這就要求現代港口起重機在電氣傳動控制其調速性能要求比一般港口起重機高, 以保證在進行集裝箱作業時平穩、可靠, 有良好的低速就位性能. 但目前在國內該產品電氣傳動控制除直流傳動外, 在交流傳動上仍多以采用常規的轉子串電阻調速, 輔之以渦流制動器等調速控制, 即使采用變頻調速控制, 也只是用在小車、大車、變幅或回轉機構上. 直流傳動由于直流電動機具有機械式換向器這一致命弱點, 從而給直流傳動的應用帶來了一系列的限制, 近年來, 由于變頻技術的奔騰發展, 特別是矢量控制技術和直接轉矩控制技術的應用, 變頻技術日趨成熟, 以其寬廣的調速范圍、較高的穩速精度、快速的動態響應以及能在四象限作可逆運行的性能位居交流傳動之首. 其調速性能完全可以和直流傳動相媲美, 并有取代之趨勢.
對于這類港口起重機, 其核心機構是起升機構, 在起升機構上采用變頻調速必須解決的關鍵技術為:
(1) 低頻時能保證恒轉矩輸出,以避免低頻時滿負載工況下發生帶不動負載的現象;
(2) 滿負載時在空中制動停車或再提升時, 不產生溜鉤現象;
(3) 電動機減速或重載下放時, 再生制動能量必須迅速開釋.
(4) 實現恒轉矩調速和恒功率調速, 輕、空載起升速度進步一倍。
對于上述題目，我們在設計和實際應用調試中是這樣解決的：
(1)以日本安川公司VS616G5A變頻器為例，該變頻用具有四種控制模式，第一種為開環V/f控制方式；第二種為閉環V/f控制方式；第三種為開環矢量控制方式；第四種為閉環矢量控制方式。我們選用第四種控制模式，閉環控制的速度反饋采用增量式脈沖編碼器，系統具有足夠的調速硬度和良好的低頻轉矩特性，即使在0Hz電機也能以150%額定轉矩輸出，以避免低頻時滿負載工況下發生帶不動負載的現象。
(2)起升機構有機械制動器，當變頻器作為調速手段時，在起升機構上升或下降以及在空中停止的瞬間，機械制動回路與變頻器加、減速時間的匹配是一個非常關鍵的方面；在工作過程中，既要防止溜鉤現象的產生，又必須防止由于時間匹配不當而引起松閘太慢或抱閘太快現象。若匹配不當可能引起電機的堵轉導致變頻器保護跳閘，致使工作中斷。在實際應用中，我們通過在啟動時控制起升制動器延時松閘，停止時控制變頻器零速信號進行抱閘能較好的控制溜鉤現象。
(3)對再生制動能量的處理方式有兩種, 一種是用制動單元和制動電阻來吸收, 另一種是通過在直流側設置公共母線的逆變橋使之回饋到電網. 采用能耗電阻的方式，在制動單元和制動電阻的選擇上應考慮到起升機構屬位能性負載特性，不能按制造廠商推薦使用的制動單元和制動電阻的容量，必須增加制動單元和制動電阻的容量，電阻的阻值決定著制動電流，也就是決定著制動時間的是非，在起重機變頻調速系統中長時間的制動轉矩特性決定需要考慮的并不是它的阻值，而是它的功率，即在設計中把制動電阻的功率增加了一倍，保證再生制動能量迅速開釋。
采用公共直流母線下的多逆變器驅動方式, 使系統電路形式簡潔、緊湊。 再生制動能量采用回饋到電網的方式, 這是由于考慮到起升機構重載下放時長時間的制動轉矩必須由大量的制動電阻來吸收.另外, 當任意兩個以上的機構同時運行時, 若某一機構傳動電機處于再生制動狀態時, 其再生制動能量可經直流母線直接供給處于電動狀態的電機, 可大大進步能量的再生利用率。但采用再生制動能量回饋方式價格較貴。
系統由一個整流/回饋單元加多個逆變器組成, 逆變器的數目取決于整個電氣傳動系統所需的逆變器個數, 整流/回饋單元為各逆變器提供公共直流母線 (COMMON DC BUS), 它除了設有整流橋外還設有逆變橋, 當電機處于減速或重載下放工況使直流母線電壓升高時, 其逆變橋開始工作并將再生制動能量回饋至電網, 從而使系統實現四象限可逆運行。
(4) 50Hz以下實現恒轉矩調速, 空鉤或只帶吊具時可運行在50Hz以上, 速度進步一倍，實現恒功率調速， 若PLC與變頻器控制為通訊方式，起升速度控制可隨載荷自動升速或降速。PLC檢測吊重起動時的電流值進行控制，也可通過超負荷限制器的重量信號來控制恒功率升速，進步生產率。
門座起重機多電機傳動系統
結論：
變頻調速技術在港口起重機電氣傳動上的應用具有以下特點:
(1) 變頻系統與直流傳動方案相比, 可以不用制造復雜、價格昂貴、維護麻煩的直流電動機, 而選用方便, 節能, 經濟的交流電動機.
(2) 變頻系統與常規電氣控制方案相比, 省往了電動機轉子側的大功率電阻、加速接觸器和電動機正反轉交流接觸器.
(3) 電機加減速時間可調整，可實現系統的軟啟動，軟停止，速度變化平滑，運行平穩，低速性能穩定.
(4) 能滿足起升機構對調速硬度、低頻轉矩特性及四象限運行的要求;可以長時期低速運行;能有效的防止重載空中溜鉤現象.
(5) 采用矢量控制閉環方式，0Hz時起升電機也能以額定轉矩輸出. 實現零速抱閘，可以全速受控，減少抱閘閉合時的振動及抱閘磨損.
(6) 無需采用機械變速裝置，利用變頻調速50Hz以上恒功率調速方式即可將空鉤及輕載工況的起升速度進步一倍，類似于直流電機的弱磁升速方式，可大大進步生產率.
(7) 配用PLC后，控制柜體積大為減少，元件少，若和變頻器之間采用通訊方式，則無需使用PLC I/O接口及變頻器輸進端子.
7, 負載的類型及運行特點(變頻器出現后的恒功率)
生產機械運行時常用轉矩表示其負載的大小。在電力拖動系統中，存在著兩個主要轉矩，一個是生產機械的負載轉矩 ，一個是電動機的電磁轉矩 。這兩個轉矩與轉速之間的關系分別叫做負載的機械特性 和電動機的機械特性 。由于電動機和生產機械是緊密相連的，它們的機械特性必須適當配合，才能得到良好的工作狀態。因此為了滿足生產工藝過程的要求，正確選配電力拖動系統，除了研究電動機的機械特性外，還需要了解負載的機械特性。
1，1負載的機械特性
生產機械的負載轉矩 ，大部分情況下與電動機的電磁轉矩 方向相反。不同負載的機械特性是不一樣的，可以將其回納以下幾種類型。
（1），恒轉矩負載
恒轉矩負載是指那些負載轉矩的大小，僅僅取決于負載的輕重，而和轉速大小無關的負載。帶式輸送機是恒轉矩負載的典型例子之一，其基本結構和工作情況如圖1—14a所示。
見圖1—14a，負載阻轉矩 的大小決定于：
式中F——皮帶與滾筒間的摩擦阻力
r——滾筒的半徑。
這種負載的基本特點是：
1．轉矩特點
由于F和r都和轉速的快慢無關所以在調節轉速 的過程中，負載的阻轉矩
保持不變，即具有恒轉矩的特點：
＝常數
其機械特性曲線如圖1—14b所示。
必須留意：這里所說的轉矩大小的是否變化，是相對于轉速變化而言的，不能和負載輕重變化時，轉矩大小的變化相混淆。或者說，“恒轉矩”負載的特點是：負載轉矩的大小，僅僅取決于負載的輕重，而和轉速大小無關。拿帶式輸送機來說，當傳輸帶上的物品較多時，不論轉速有多大，負載轉矩都較大；而當傳輸帶上的物品較少時，也不論轉速有多大，負載轉矩都較小。
2．功率特點
根據負載的機械功率 和轉矩 、轉速 之間的關系，有：
（1-16）
即，負載功率與轉速成正比，其負載功率線如圖1—14c所示。
(2)恒功率負載
恒功率負載是指負載轉矩 的大小與轉速n成反比，而其功率基本維持不變的負載。各種薄膜的卷取機械是恒功率負載的典型例子之一，如圖1—15a所示。其工作特點如下：
同樣需要說明的是：這里所說的恒功率，是指在轉速變化過程中，功率基本不變，不能
1．功率特點
薄膜在卷取過程中，要求被卷物的張力F必須保持恒定，其基本手段是使線
速度v保持恒定。所以，在不同的轉速下，負載的功率基本恒定：
＝ ＝常數
即，負載功率的大小與轉速的高低無關，其功率特性曲線如圖1—15c所示。
和負載輕重的變化相混淆。就卷取機械而言，當被卷物體的材質不同時，所要求的張力和線速度是不一樣的，其卷取功率的大小也就不相等。
2．轉矩特點
負載阻轉矩的大小決定于：
式中 F——卷取物的張力；
r——卷取物的卷取半徑。
十分明顯的是，隨著卷取物不斷地卷繞到卷取輥上，卷取半徑r將越來越大，負載轉矩也隨之增大。另一方面，由于要求線速度v保持恒定，故隨著卷取半徑r的不斷增大，轉速 必將不斷減小。
根據負載的機械功率 。和轉矩 轉速 之間的關系，有：
即，負載阻轉矩的大小與轉速成反比，如圖1—15b所示
(3)二次方律負載
二次方律負載是指轉矩與速度的二次方成正比例變化的負載，例如風扇、風機、螺旋槳等機械的負載轉矩，如圖1-16所示。在低速事由于流體的流速低，所以負載轉矩很小，隨著電動機轉速的增加，流速增快，負載轉矩和功率也越來越大，負載轉矩 和功率 可用下式表示：
式中 、 ——分別為電動機軸上的轉矩損耗和功率損耗；
、 ——分別為二次方律負載的轉矩常數和功率常數。
二次方律負載的機械特性和功率特性如圖1—16b、c所示。 |
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