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变频调速技术及其在升船机上的应用

发布日期:2018-6-25 10:26:06

  直流电机的较好调速特性和力矩特性,是调速控制的主要方式,在上世纪90年代以前它在电动调速系统中一直处于统治地位。因其结构复杂、制造成本高,并且不适应恶劣工作环境,该项技术的发展在一定程度上受到了限制。交流电机、特别是异步电机,虽然结构简单、体积小、运行可靠、价格便宜也适应恶劣的工作环境等一系列的优点,在调速系统中却很少应用,至到可控硅元件问世后,异步电动机才在调速系统中得到广泛应用。

  由于异步电机的调速技术的进步,近年来各个行业的电机调速都采用变频调速,升船机也是其中的一种,这种系统具有显着的可靠性、节能、省时的效果,本文在介绍变频技术的同时,介绍了该技术在升船机系统大功率异步电机上的应用。

  1 变频调速的原理及其优点1.1 变频调速的原理 变频调速以交流电作为工作电源,通过变频控制,把固定电压、频率的交流电,变换为可调压、调频的交流电,进而对交流异步电机提供交流工作电源。其基本原理为:n=60f(1-s)/p式中:n为异步电机转速,f为电源频率,P为磁极对数。由此可见,改变电源频率即可改变异步电动机的转速。

  同时,因频率的下降会导致磁通的增加,造成磁路饱和,励磁电流增加,功率因数下降,铁芯和线圈过热。这显然不允许的。因此,要在降频的同时还要降压。这就要求频率与电压协调控制。另外,在许多情况下,为了保持在调速时,电动机产生最大转矩不变,也需要维持磁通不变,这也需要由频率和电压协调控制来实现,故称为变压变频调速(VVVF),简称变频调速。

  根据异步电机的控制方式不同,变压变频调速可分为:恒定压频控制调速、矢量控制变频调速、直接转矩控制变频调速等。

  1.2 变频调速的优点 变频调速的调节性能,具有调速平滑性好、机械特性较硬、调节广度较大,实现恒转矩或恒功率调速便捷,其调速特性与直流电动机的调压调速和励磁调速十分类似,并且可以与直流调速相媲美,甚至超过直流调速。

  2 变频调速器的分类2.1 从变频器的主电路形式上划分,可分为交-直-交型变频器和交-交型变频器。其中,交-直-交型变频器工作原理为:首先通过整流器将电网电源变换为直流电,再由逆变器将直流电变换成频率和幅值均能调节的交流电。与交-交型变频器相比,无论从幅值及频率的调节宽度,以及调节平滑性上,都具有显着的优点。升船机上采用的变频器即为交-直-交型。

  2.2 从交流电源的性质上,变频器又可分为电压变频器(图1)和电流变频器(图2)两种。其主要区别,在于中间直流环节采用了何种形式的滤波器。

  其中:电压变频器节采用大电容滤波,其优点是直流电压波形较平直,使施加于负载上的电压值基本上不受负载的影响基本保持恒定,所以运行时几乎不受负载的功率影响,而缺点是负载出现短路或变频器运行状态下投入负载,易出现过电流,必须在极短时间内施加?;ご胧?。

  电流型变频器的中间直流环节所采用的是大电感滤波,直流电流的波形比较平直,使施加在负载上的电流值稳定不变,基本上不受负载的影响,其特性与电流源相似,故称为电流型变频器。电流型变频器的整流部分一般采用相控整流或直流斩波,通过改变直流电压来控制直流电流,从而构成可调的直流电源来达到控制输出的目的。电流型变频型由于电流的可控性较好,可限制因逆变装置换流失败或负载短路引起的过流,?;さ目煽啃越细?,因此用在频繁加减速的场合多一些。

  3 变压变频协调控制为了实现对异步电机电压和频率的协调控制,需考虑基频f1(基本频率)以下和基频以上两种情况?;翟诙嗍榭鱿碌扔诙疃ㄆ德蔲N?;凳潜淦灯鞫缘缁泻阕乜刂坪秃愎β士刂频姆纸缦?,基频以下一般采用恒转矩调速,基频以上通常采用恒功率调速。

  3.1 基频f1以下调速控制 在相同的转矩相位角的条件下,维持一定调速范围内磁通恒定。通过控制电机的电流恒定,即可控制电机的转矩恒定,这种控制方式称为恒转矩控制(即电机在速度变化的动态过程中,具有输出恒定转矩的能力);其控制的重点,在于维持一定调速范围内的磁通恒定。

  3.1.1 恒定压频比(U1/f1)控制 恒定U1/f1控制是异步电动机变频调速的最基本控制方式,在控制电动机的电源频率变化的同时还控制变频器的输出电压,使U1/f1为恒定,从而使电动机的磁通基本保持恒定。

  恒定U1/f1控制的基本模型是电动机的稳态数学模型,从而,其控制效果只有在稳态时才符合要求。例如在电机正常运行时,电动机电阻r1和定子漏电抗x1的压降较小,基本可以忽略不计。在这种情况下,电机定子电压U1与感应电动势Eg近似相等。恒定U1/f1控制最容易实现,也能满足一般的调速要求,并且,其最突出的优点就是可以进行电机的开环速度控制。   但是,恒定U1/f1控制在低速运行状态下性能较差,这是因为低速状态下,异步电动机定子电阻压降所占比例增大,不能忽略,电机U1≈Eg的条件已不满足;从而按U1/f1控制已不能保持电机磁通恒定。结果造成电机磁通减小,电机电磁转矩的的减小。因此,在低速运转的时候,要适当加大U1/f1的值,以补偿定子压降。

  3.1.2 恒定气隙磁通ΦM控制 异步电机定子的感应电势:Eg=4.44f1N1KN1ΦM从以上公式可知,如果要保持磁通量ΦM不变,当频率f1变化时,必须改变电动势Eg的大小,使Eg/f1等于一个常值。另外,电机定子电压u1=Eg+(r1+jx1)I1。因此,适当的提高定子电压u1,克服定子阻抗压降,从而能维持Eg/f1为恒值;则可保证无论频率高低,磁通ΦM均为常值,实现恒定Eg/f1控制。恒定Eg/f1控制,与恒定压频控制相比,补偿了定子阻抗压降,在控制稳态性能上更具优点。

  Eg/f1控制3.1.3 恒定转子磁通?准r(Er/f1)控制 在电压、频率协调控制的基础上,把电压U1进一步提高,使转子漏抗上的压降也抵消掉;这种控制方式即称之为恒定Er/f1控制。显然,恒定Er/f1控制的稳态性能最好,可获得与直流电机一样的线性机械特性。从电动势与磁通的关系的公式(Eg=4.44f 1N1KN1ΦM)中可看出,当频率恒定时电动势与磁通成正比,气隙磁通Eg的感应电动势对应气隙磁通ΦM。同样,转子磁通的感应电动势Er对应于转子磁通?准r时, Er=4.44f1N1KN1?准r。因此,只要能够按照转子磁通?准r等于恒值来进行控制,就可以实现恒定Er/f1控制。这也正是矢量控制系统所遵循的原则。

  3.2 基频f1以上调速 根据公式Eg=4.44f1N1KN1ΦM,当频率增加时,电机的电压随之提高。但若电机电压已到达额定电压,继续升压就可能造成电机绝缘损坏。因此,频率升高的同时,必须降低磁通量,从而保持电机电压不变。此时,电机输出功率由电机额定电压和额定电流决定,不随频率的变化而变化,具有恒功率特性。相当于直流电机弱磁升速的工作状态。

  4 变频调速在升船机上的应用随着变频调速技术的快速发展,逐步在升船机系统中代替了直流调速电机,并且以明显的优势占据着主导地位。

  4.1 系统的构成4.2 系统工作原理 三相交流电输入到传动系统的整流装置,整流为标准的直流电,然后输入到传动系统的逆变装置,进而转变为可以根据现场需要的频率可调的标准正弦电,于是使变频电机的转速可根据现场可以调节。这里把交流电变成直流电再变成交流电,而不是直接使用逆变装置使交流变交流,原因是直流电压波形较平直,使加于负载上的电压值基本不受负载的影响,基本保持恒定。变频调速装置可使最小转速达到0.1RPM,调速范围广,调速平滑性好,实现恒转矩和恒转速双重调速控制,并且其调速特性与直流电机的调压调速类似,甚至比直流调速更完美。

  变频电机带动减速机,然后再带动卷筒转动。减速机专门配备一套稀有润滑系统,采用压力油泵强制循环,使减速机在正常运转中不断地得到润滑。制动系统分为两级制动,工作制动和安全制动,一旦出现突发情况,安全制动系统首先分级上闸,待转速降低为零之后工作制动器上闸,确保安全运行。

  4.3 变频调速与直流调速的比较 传统的升船机使用的是直流调速系统,由于直流电机的较好调速特性,在变频调速之前它一直在电动调速系统中处于统治地位??墒怯捎谑导适褂弥行枰闹绷鞯缭慈萘勘冉洗?,现场必须配备一套与之相对应的直流发电系统,由交流异步电动机作为原动力,带动直流发电机,然后再根据直流电机的调速特性,对升船机进行正常运行。

  变频调速系统则是由一套传动系统(整流装置、逆变装置)就可以对电动机实现较好的调速控制,实现升船机的运行。

  5 结束语升船机采用变频电机进行调速,不但使调速系统的结构大大简化,制造成本大大节省,而且对于日后的运行也是简单易操作,极大的方便了运行人员,提高了工作效率。

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