基于矢量控制技术的变频器及其在建工机械的应用

2013-06-06朱建锋

机电工程技术 2013年6期

朱建锋，张静

（1.广东省机电建筑设计研究院，广东广州 510110；2.广州海瑞克隧道机械有限公司，广东广州 511455）

0 引言

近年来，随着各行业经济的快速增长，以及节能减排、绿色低碳政策的倡导，变频技术的应用领域越来越广泛。2011年，变频驱动控制技术的应用领域已从传统制造加工行业拓展到大型提升/起重设备、大功率轧机、电梯行业、楼宇HVAC、无感伺服等行业，产品研发策略也朝着自动化、智能化、专业化和绿色化的方向发展，成为国防、交通、建筑工程、能源、环保和资源利用等国民经济发展的重要支撑。

建工设备包括有场地平整机械、混凝土机械、钢筋拉伸机械、起重机械、塔吊和升降机械等，是实现施工机械化的重要物质基础，同时也决定着工期进度和项目质量等。

1 矢量控制变频器及其技术的介绍

矢量控制变频器是一种基于矢量控制技术的智能驱动控制装置，具有感知、分析、推理、决策和控制的功能模块；通过技术手段提高装配设备的安全等级，实现电子数字保护；在操作过程中实现缓启、缓停，确保启动平稳，精确度可达到毫米级；采用无线呼叫系统和GPS 定位，确保信息互通和有效管理。技术方面引入无速度矢量控制策略以及智能控制技术，使其具有较快的动态响应，先进的电流限制技术和硬件优化设计，能保证在负载频繁波动的情况下，变频器也不会跳闸。通过此方式对普通塔吊、浮吊进行变频改造，可以为塔吊、浮吊和升降机带来良好的性能及节能效果。目前，矢量控制变频器已经应用到石油、化工、冶金、高档电梯、数控机床等工业产业领域。其中主要涉及以下几个关键技术。

1.1 矢量坐标变换技术

矢量坐标变换技术[1]是将异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量（励磁电流）和产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量。在此基础上，结合电机参数，计算转子磁链的位置，对交流电机解耦，使运行控制直流电机化。其过程框图如图1。

图1 矢量坐标变换技术框图

1.2 转子磁链位置的识别技术

正像交流异步电机的“异步”定义的那样，它的转子机械转速并不等于转子磁通转速，这就是说不能通过位置传感器或速度传感器直接检测到交流异步电机的转子磁链位置。转子磁链位置在交流异步电机矢量控制中是一个非常重要的参数，没有它就不能进行Park 变换和逆变换[1]，转子磁链位置识别技术的优劣关乎矢量控制的性能。对于有PG矢量控制的转子磁链位置计算，主要是如下公式（1）和（2）来计算：

1.3 基于MRAS和IIR的无速度传感器磁通和转速的识别与控制技术

采用矢量控制技术可解决传统交流调速难题，使交流电机按直流电机控制规律来进行控制。电机磁通和转速的识别与控制技术通过CLARK变换、park变换及反park变换[1]得到α，β轴的输出电压；之后采用MRAS技术由α，β输入电压和电流，获得α，β轴磁通；最后利用微分技术和IIR滤波技术，获得识别转速，包括转差和转子转速。无速度传感器的矢量控制技术可以省去速度传感器，将使相应的交流调速系统变得更简单、廉价和可靠。其模型如下，控制框图如图2。

电压模型：

电流模型：

图2 数学模型

1.4 模糊识别的死区补偿技术

通过对三相电流快速采样，获得三相电流大小与极性；根据电流大小和极性，由模糊识别，选用不同的电流幅值比较，确定补偿或不补偿，进而获得不同的PWM 死区补偿量；由SVPWM 正常发波的占空比，加上或减去死区补偿量，获得最终的PWM占空比，实现死区补偿。

1.5 电机参数辨识技术

在异步电机无速度传感器矢量控制系统中，控制的性能严重依赖于电机参数的准确性，其对磁场定向的准确性与解耦控制的性能影响很大。通过电机参数识别技术[2]，可准确识别电机参数，提高矢量控制下的控制性能和控制精度。

2 产品技术的创新点

以ALPHA6000S产品介绍其技术上的创新点。

2.1 磁通制动

磁通制动的原理是通过增加电机磁通的方法加快电机减速，此时电机制动过程中的电能转化为热能，使能量消耗在电机内部，改变了传统的电机制动需匹配制动单元和制动电阻的现状，实现了电机的快速制动，减小由于电机惯性对产品品质的影响。

2.2 防堵转处理

通过电流矢量技术，可对电流实时动态进行侦测和控制，当检测到负载转矩过大，电机堵转时，矢量控制变频器会自动适当提高输出转矩，尝试重新启动。这样就解决了电机突加负载时引起电机堵转，而迫使生产停工或返工的问题。

2.3 瞬停处理

利用能量回馈技术，当遇到突发停电状况，矢量控制变频器会及时响应，通过电机旋转能量控制电机减速，从而达到继续维持运行的目的。此功能有效地控制了在电网掉电时电机不受控的状况，同时，在瞬时跳闸期间及复电后，保证了电机的连续运行，真正实现了电网跳闸时变频器的无跳闸运行。

2.4 预励磁技术

起动问题自电机诞生之日起就是业界研究的重点之一。电机常规起动时输出转矩小而起动电流大，对电网、电机拖动的负载及自身绝缘均造成损害。而当采用矢量控制变频调速时，需要开关器件的裕量足够大，却由此带来了成本问题。而预励磁技术有效地解决了该问题，此技术基于间接矢量控制的思想，预先在电机起动之前建立磁场，将转子磁链定向在电机某相绕组的中心线上，而起动时转换到常规矢量控制算法，从而实现了起动过程中励磁子系统和转矩子系统的动态解耦，电流平滑过渡且输出转矩响应快，避免了以往任何起动方式中的电流尖峰现象发生。

2.5 转子磁链位置估计技术

在转子磁场定向的异步电机矢量控制系统中，转子磁链的准确估计至关重要。如果转子磁链的估计不准确，转子磁场定向控制系统应有的优点，即实现转矩和磁通的解耦控制将无法实现。因此，转子磁链估计模型的选择非常重要。常用的磁链估计方法有很多种，如电流模型法É、电流模型法Ê、电压模型法等等，但各种磁链估计模型要求不同的输入量，并各有其优缺点。本产品[3]从转子磁场定向的无速度传感器异步电机矢量控制系统要求出发，实现一种改进的电压型转子磁链估计模型。

2.6 自动平层技术

传统的升降机靠操作工来回调整来平层，这种平层方式效率低，误差大，且有机械冲击。矢量控制变频器采用位置编码器实时监测轿厢的当前位置，对剩余距离进行计算，以S 曲线停靠平层。制动时按照运动控制学原理采用独待的算法，既能保证平滑的S 曲线，又能根据剩余距离实时调整，无需爬行段，真正实现零速平层。这种自动平层方式效率高，精度高，无机械冲击，又能保证一定的舒适性。

2.7 无线呼叫技术

各楼层客户端通过无线发射器发出楼层呼叫信号。矢量控制变频器通过无线接口，接收到楼层信号以后，按照楼层呼叫的先后顺序，用键盘轮流/依次显示该楼层号码。轿厢控制人员根据显示的号码，优先选择需要到达的楼层号码；一旦到达该楼层，则该楼层对应的号码消失，直到下次再次呼叫，并排队显示。在轿箱控制人员不干涉的情况下，根据自身计算的楼层停靠距离，准确到达楼层。

3 矢量控制变频器在建工机械的应用效果

3.1 对升降机设备的应用效果改善

通过感知、决策、执行等智能化应用，突破了原有的工作模式，大大提高了生产效率。表现如下。

（1）荷重保护智能化，产品带有轿厢荷重保护，货物装载后会有重量感应，确保承重量在安全范围。如果超过承重范围，系统会自动出现超载提示，彻底消除了安全隐患。

（2）平层数字化，传统升降机的选平层是由司机靠目测手动控制实现的，效率低，经常要上、下点动几次才能准确停层。既降低了效率又增大了拖动与控制系统的疲劳度，缩短了寿命。而采用变频选平层使整个系统实现了简单化，通过人机操作界面选择停靠平层，由系统自动测算距离，保证停靠位置的准确性。

（3）无线呼叫功能。客户端通过无线发射器，发出楼层呼叫信号。变频器通过无线接口，接收到楼层信号以后，按照楼层呼叫的先后顺序，用键盘轮流/依次显示该楼层号码，无需人工传达。

3.2 对塔吊设备应用效果的改善

变频器的平稳起动及制动特性减少了机械冲击，降低了结构损耗；且起动电流较小，在频繁起动与制动中减少电机热损，延长电机寿命[4]；变频器自身也是高可靠性的通用标准设备，故障率极低，通过引入变频器后整机的故障率降低，维护量减少，最终提高作业效率。尤其是变频器的无极调速技术有效地解决了机构的传动冲击，延长了齿轮、滚轮、轴承、齿条的使用寿命。由于变频系统具有限流的功能，降低了电机启动时对电网的冲击电流，缓解了用电设备间的相互影响，电缆载流能力大大提高[5]。表现如下。

（1）速度反馈信号。由旋转编码器采集，经PG卡直接送入变频器参与闭环控制。

（2）起行程信号。在起升、抓斗及变幅等各个机构上设有超行程限位开关，其信号全部送入PLC，在超行程信号时发出指令让相应的机构停止动作，以防失控损坏设备。

（3）制动单元及制动电阻。起升及抓斗电机在负荷下降时，重物的势能将转化成为电能，再由变频器附加的制动电阻将此电能转变为热能耗散掉，以达到平稳制动的目的。旋转及变幅电机也附加了制动电阻，作为减速过程中的制动手段。制动电阻是通过制动单元接入变频器的，制动单元能够根据需要自动投入和切除制动电阻。制动电阻安装在控制柜外专门的电阻安装支架上。

（4）防误操作功能。瞬间加速防误操作，当操作人员瞬间将某个机构从零速推进到最高速时，变频器将不立即响应此操作，而是按正常设定以允许的最大加速度升速。快速反向防误操作，当操作人员将某个机构从一个方向的高速运行快速切换到反方向运行时，变频器将不立即响应此操作，而是按正常程序减速停机，待获得零速反馈后再进行反向启动。行程防误操作，当操作人员不慎使起升及抓斗或者变幅机构超越正常行程，PLC 将立即发出该机构的紧急停止指令，同时封锁该方向的操作，反方向操作将在操作器复零时激活，以便机构退出超行程位置。

3.3 产品的节能降耗效果

（1）节能效果显著。由于矢量控制变频器工艺方法的改进，也减少电机的投入量，功率可降低三分之一左右。与传统产品相比，能耗却下降了50%，因为在下降时，电机无须供电。如欠压、过压、过转矩、过电流保护等，使整个电控系统的可靠性、安全性得到保证。由于系统为零速制动，制动器无相对转动摩擦，所以使用寿命理论上为无穷大，实际上至少延长十几倍。

（2）降低成本。通过矢量控制变频器对塔吊、浮吊和升降机机型改造，可降低维修费用，同型号非调速升降机，每年至少要更换四次齿轮和制动盘以及若干个接触器，此项费用至少为25 000 余元。而且要占用工作时数。用此项技术，齿轮可少换50%，齿条寿命延长一倍，制动器使用十年，年可节约维修费20 000元。

采用先进的矢量控制技术对塔吊、浮吊、升降机电力拖动系统进行技术改造，不仅增强了设备的安全与可靠性，而且为企业和社会节省了大量的电能，因此在建筑行业具有很好的推广应用价值。