桥吊吊具电缆控制系统变频调速方案设计
2017-07-19胡斌杰赵志森张乾能
胡斌杰+赵志森+张乾能
当前，吊具电缆全变频闭环控制驱动方式在桥吊中得到越来越广泛的应用。变频调速技术具有功率因数高、启制动快速平稳、调速性能好、维修保养方便、节能等优点，适用于小功率驱动机构且效果较好。…目前，大功率变频调速技术已基本成熟，只要选用成功使用范例的产品，正确设计桥吊吊具电缆控制系统变频调速方案，就能确保其可靠性和安全性。本文介绍一种桥吊吊具电缆控制系统变频调速方案，以期为桥吊吊具电缆控制系统改造提供一定参考。
1变频调速原理
由电机学理论可知，三相交流异步电动机的同步转速为
n=60/fP （1）
式中：n为同步转速，r/min；f为电源频率，Hz；P为磁极对数。
转子在电磁力作用下转动，其转速（电动机转速）为
式中：nM为转子转速，r/min；S为转差率。
由式（2）可知，可以通过改变三相交流电动机的磁极对数、转差率或电源频率来改变电动机转速，也就是通常所说的变极调速、变转差率调速和变频调速。
变极调速的缺点明显：电动机的转速呈非连续性阶跃式变化，所以调整范围较小，且接线复杂。
变转差率调速的方法包括定子电压调速、转子串电阻调速和串级调速。定子电压调速指改变加在定子绕组上的电压，负载转矩对应不同的电源电压，可获得不同的工作点，从而得到不同的转速；其优点是电动机的调速范围较大，缺点是低压时机械特性太软，转速变化大。转子串电阻调速指在转子中串入电阻，所串的电阻越大，运行段机械特性的斜率越大，主要用于中小容量的绕线式异步电动机；其优点是方法简单，缺点是损耗大。串级调速指在转子电路中串入与转子电势频率相同的三相对称的附加电势，通过改变其大小和相位来调节电动机转速；其优点是效率较高，能实现无级平滑调速，缺点是功率因数较小。
变频调速通过改变电源频率来改变电动机转速，但单纯的频率改变会导致磁通太弱或太强，从而影响电动机的运行性能；因此，需要协调控制频率和电压来保证变频调整时磁通不变。
三相异步电动机定子每相电动势的有效值为式中：Eg为气隙磁通在定子每相中感应电动势的有效值，V；f1为定子频率，Hz；Ns为定子每相绕组串联匝数；KN为定子基波绕组因数；φm为每极气隙磁通量，Wb。
由式（3）可知，在从基频向下调节频率f1的同时也降低相应的电动势Eg，则可在变频时保持φm不变。由于Eg难以直接控制，故用与其相近的定子相电压来替代，从而实现调速。在基频以下，磁通量恒定时转矩也恒定不变，故这种调速称为恒转矩调速。在基频以上，由于频率已超过基频，而定子电压却不可能超过额定电压，此时磁通量无法保持不变，只会与频率成反比降低，其电动机转速加快，转矩减小，故这种调速称为恒功率调速。
从上述两种调速的特性来看：基频以下调速可用于吊具电缆缓慢上升时，此时需较大转矩以卷起电缆；基频以上调速可用于吊具电缆快速下降时，此时电缆无需较大转矩，但要求速度较快。
一方面，变频调速具有平滑无级调速、调速范围大、效率高等优点；另一方面，电动机的启动电流小且启动转矩大，能适应频繁启制动场合，系统稳定性好。因此，变频调速在工业领域的应用广泛。当然，变频调速也有缺点，主要表现在系统较复杂、成本相对较高等方面。
2变频器控制方法
变频器利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，常用的控制方法有V/f控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等。
V/f控制通过控制变频器输出电压与输出频率的比值来控制转矩，该控制方式结构简单且机械特性较硬。这种变频器一般采用开环控制方式，控制性能不佳，且低频时调速性能下降，稳定性差，要进行转矩补偿，以改变低频转矩特性。
转差频率控制指在V/f控制的基础上，在控制系统中安装速度传感器，甚至增加电流反馈，以便控制频率和电流，从而达到控制转矩的目的。该控制方式是一种闭环控制方式，与开环的V/f控制相比，系统的加减速特性和稳定性均得到提高，对过电流的限制效果较好。
矢量控制指以矢量坐标电路来控制电动机定子电流的大小和相位以及励磁电流和转矩电流，从而控制电动机转矩。该控制方式具有动态响应速度快、启动转矩大、调速范围大的优点；但其实时性不太理想，控制精度也会因计算精度的不同而有较大差别。
直接转矩控制指通过检测电动机定子电压和电流，利用空间矢量、定子磁场定向分析，计算出电动机的磁链和转矩，并与给定值比较得出差值，从而实现对电动机转矩的直接控制。
3桥吊吊具电缆控制系统变频调速方案
对桥吊吊具电缆控制系统来讲，采用变频调速须满足以下技术要求：（1）为保证吊具电缆控制系统在低频时能带动电缆移动，必须确保其在低频时有足够的输出转矩，即在低频时应保持恒转矩输出；（2）桥吊吊具在上升与下降及重载与空载时的速度不一致，因此，电缆的调速范围必须包含吊具所有可能的速度；（3）吊具电缆的跟随性要好，即电缆的收放速度必须与吊具上升和下降的速度保持一致。要解决上述问题，必须合理选择变频器控制方式，同时，还需要计算变频器容量，匹配合适的制动电阻。
变频器额定电流与电动机额定电流I，最大转矩与电动机额定转矩比K1，变频器过载能力K2（一般取1.5）及余量K3（通常取1.2）有关，一般通过以下公式来确定，即
本文采用的变频器为西门子6SE70234EC61 ZG91（15 kW），该系列变频器具有矢量控制、V/f控制等多种控制模式。选用直接转矩控制模式来控制变频电动机，以确保系统有较大的调速范围和启动转矩，使其在低频时能输出足够的转矩。在直接转矩控制模式下，使用增量型编码器实现闭环控制，与可编程逻辑控制器拾取的吊具提升的高度和速度作比对并得出差值，进而不断调整电缆速度，以保证能随吊具的速度变化来收缆和放缆，确保其有良好的跟随性。
同时，控制系统采用变频调速方式：当频率在基频（50 Hz）以上调速时，其为恒功率调速，使电动机转速加快，吊具电缆收放速度加快，以使其与吊具空载速度保持一致；当频率在基频（50 Hz）以下调速时，其為恒转矩调速，保证低频时输出的转矩足够使用。桥吊吊具电缆控制系统变频调速原理如图1所示，桥吊吊具电缆变频器接线如图2所示。
通过可编程逻辑控制器对电缆变频电动机进行变频调整。要实现变频调速控制功能，还须对变频器进行参数设置，部分基本参数设置见表1。
4结束语
桥吊吊具电缆控制系统变频调速技术具有平滑无级调速、调速范围大、效率高、系统稳定性好等优点，在工业领域的应用广泛；不过，该技术也存在系统较复杂、成本相对较高等缺点。桥吊吊具电缆控制系统变频调速方案设计可为桥吊吊具控制系统可编程逻辑控制器程序设计打下基础，并为桥吊吊具电缆控制系统改造提供一定借鉴。
