變頻器在起重機械中的應用
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。
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顯著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入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。這種系統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，串入較大附加電阻后，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入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，從定子傳入轉子的電磁功率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，它的去向是調速系統效率高低的標志。就轉差功率的去向而言，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，系統效率愈低的問題，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，轉差功率仍舊消耗在轉子里，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，提高調速性能，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，它的想法是設法摸擬直流電動機的控制特點來進行交流電動機的控制。調速的關鍵問題是轉矩控制問題，直流電動機調速性能好的根本原因就在于它的轉矩控制容易，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，必須通過電機統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。即如果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顯著的改善，這無疑是交流傳動控制理論上一個質的飛躍。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，但卻是很有發展前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飛躍，從矢量控制法到直接轉矩控制法將是第二個飛躍。
（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入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飛躍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，又出現了絕緣門極雙極晶體管（IGBT）和絕緣柵門極關斷（IGTO）晶體管等，即具有電壓型控制、輸入阻抗大、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，用相控方式生成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問題，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問題。為解決這個問題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，可以把開關頻率提高到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提高、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，提高裝置的可靠性。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。