变频调速技术及其在升船机上的应用

　　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保护措施。

　　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，保护的可靠性较高，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。基频在多数情况下等于额定频率fN。基频是变频器对电机进行恒转矩控制和恒功率控制的分界线，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。可是由于实际使用中需要的直流电源容量比较大，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。