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【摘 要】本文主要就港口多用途门座起重机电气传动控制系统出发，分析了采用公共直流母线下带多个逆变器的多电机传动矢量控制变频调速方案，以改善整机的性能，特别是能较好地解决在起升机构上使用变频调速的一些关键技术。本文提供了一些自己的观点，以供参考。
【关键词】多电机传动； 矢量控制； 公共直流母线； 门机
前言
近年来, 由于变频技术的飞跃发展, 特别是矢量控制技术的应用, 变频技术日趋成熟, 以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首。其调速性能完全可以和直流传动相媲美, 并有取代之的趋势。因此, 以港口多用途门座起重机作为研究对象, 采用全变频调速系统, 以改善该机的整体性能,对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常现实的意义。
一、参数
起升机构: 起重量40 t
驱动电机 YP355S-8 132 kW×2
起升速度 30 m/ min
空钩( 或只带吊具) 60m/ min
變幅机构: 驱动电机 YP280S-8
37kW×1
变幅速度 32m/ min
回转机构: 驱动电机 YP250M -8
30kW×2
旋转速度 1. 5r / min
行走机构: 驱动电机 YP160L -6
11kW×4
行走速度 26 m/ min
二、变频方案选择分析研究
对于这种用途门座起重机, 其核心机构是起升机构, 在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:1) 低频时能保证恒转矩输出, 以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;2) 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;3) 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放。目前, 从市场上的变频器种类来看,一般分为两大类: 一种是一般用途变频器,仅适用于通风型或反应性负载; 另一种是矢量控制变频器, 适用于如起升机构这类位能性负载。而在这类变频器中, 对再生制动能量的处理方式有两种: 一种是用制动单元和制动电阻来吸收; 另一种是通过在直流侧设置逆变桥使之回馈到电网。在变频器驱动电动机的方式上,又分为单变频器驱动方式和公共直流母线的多逆变器驱动方式。基于以上的分析, 对于我们所研制的多用途门座起重机, 其电气传动系统选择哪一类变频方案最为合理呢? 按照起升机构的负载特性, 首先应该选择矢量控制变频器, 这样才能满足上述分析的起升机构使用变频调速的三要点。由于整个系统( 四大机构) 为多电机传动, 所以优先采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式, 使系统电路简洁、紧凑。再生制动能量采用回馈到电网的方式,这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收的因素。另外, 当任意两个以上的机构同时运行, 某一机构传动电动机处于再生制动状态时, 其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电动机,从而大大提高能量的再生利用率。
三、系统组成及特点分析研究
它由一个整流/ 回馈单元加多个逆变器组成, 逆变器的数量取决于整个电气传动系统所需的逆变器个数。整流/ 回馈单元为各逆变器提供公共直流母线(COM -MON DC BU S) , 它除设有整流桥外, 还设有逆变桥,当电机处于减速或重载下放工况使直流母线电压升高时, 其内部晶闸管逆变桥开始工作, 并将再生制动能量回馈至电网, 从而使系统实现四象限可逆运行。SIM OVERT VC 逆变器提供6种开、闭环控制模式:一是V / f特性曲线( 带有转差补偿的开环频率控制) ;二是具有最高分辨率的 V / f 特性曲线( 开环频率控制, 频率分辨率为0. 001 Hz)，三是V/ f 特性曲线, 带编码器反馈( 带有闭环速度控制的开环频率控制) ;四是闭环频率控制( 无反馈的磁通矢量控制) ;五是闭环速度控制( 带反馈的磁通矢量控制) ;六是闭环转矩控制( 带反馈的磁通矢量控制) 。
整机采用AC380V 低压上机, 三相交流电源经低压配电柜接至整流/ 回馈单元。在整流/ 回馈单元外围电路中增加了进线电抗器和自耦变压器, 整流/ 回馈单元提供公共直流母线给各机构逆变器。如前面所介绍, 起升机构采用两台YP 355S-8变频电动机驱动, 因考虑采用闭环控制, 所以两台电机各选用一台逆变器; 变幅机构采用一台YP280S-8变频电动机驱动, 选用一台逆变器; 回转机构采用两台YP250M-8变频电动机驱动, 而行走机构采用4台YP160L -6变频电动机驱动。因这两个机构同时运行的工况极少, 且驱动电动机总功率和相差不大,故共用一台逆变器。按照前述 SIMOVERT VC 逆变器的6种控制模式, 起升机构两台逆变器选用带速度反馈的闭环磁通矢量控制模式( 速度反馈用旋转编码器) , 使系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性, 满足起升机构位能性负载的四象限运行要求。即使频率为零时起升电动机也能以额定转矩输出。50Hz以下实现恒转矩调速, 空钩或只带吊具时可运行在50 H z 以上, 实现恒功率调速, 运行最高频率设定为100 Hz。变幅机构因考虑到具有平衡补偿系统,所以选用 V/ f 特性控制模式( 带转差补偿的开环频率控制) 。回转及行走机构一般在无大风的情况下其负载特性多呈反抗性负载, 所以逆变器也选用V/ f特性控制模式。系统中采用进线电抗器用于限制电网谐波,减少电网谐波对变频器、整流/ 回馈单元等装置的影响。电抗器参数与电源的短路功率和装置的视在功率之比有关, 当电源短路功率与装置视在功率之比大于50 1时, 整流/回馈单元采用短路压降为4% 的进线电抗器。自耦变压器为整流/ 回馈单元工作于再生制动状态时提供一个高电压加于逆变桥上。该电压为电源电压的1. 2倍, 有工作系数 ED = 25%和 ED =100% 两种类型选择。针对港口门座起重机的起升机构, 考虑到重载下放时行程较长, 释放的能量较大,一般应考虑ED= 100%。设置自耦变压器有以下优点: 一是当系统处在发电状态工作时, 在所有电机转速下均可达到电机的最大转矩,二是在小电网和电网电压有扰动时, 有一个较好的适用性。该系统功能齐全, 编程环境良好, 可直接与上位机相连接。
四、结语
从以上的分析介绍中可得出结论, 在港口多用途门座起重机设计研制中, 采用上述变频调速控制方案具有以下优点:
1) 多电机传动变频调速系统是由一个整流/ 回馈单元+ 多个逆变器来分别驱动多台电动机以代替系统内的多台单个变频器, 它与传统的一个系统使用多台单个变频器的方案相比, 具有投资省、电路结构紧凑等优点。
2) 各机构传动电动机无论是在减速还是重载下降工况处于再生制动状态时, 其再生制动能量经直流母线侧逆变桥回馈至电网, 无需制动电阻等发热元件。其独特的公共直流母线供电方式可使系统内处于发电状态的电动机再生制动能量经公共直流母线提供给处于电动状态的电动机, 具有明显的节能效果。
3) SIMOVERT VC矢量控制型逆变器具有带闭环速度反馈的磁通矢量控制模式,能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求; 可以长时间低速运行; 能有效地防止重载空中溜钩现象。
4) 无需采用机械变速装置, 利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩或只带吊具工况的起升速度提高一倍, 类似于直流电机的弱磁升速方式, 可大大提高生产率。
5) 该系统与常规电气控制方案相比,省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器, 变频电机也比绕线式异步电动机价格低廉, 因而性价比最高。
【关键词】多电机传动； 矢量控制； 公共直流母线； 门机
前言
近年来, 由于变频技术的飞跃发展, 特别是矢量控制技术的应用, 变频技术日趋成熟, 以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首。其调速性能完全可以和直流传动相媲美, 并有取代之的趋势。因此, 以港口多用途门座起重机作为研究对象, 采用全变频调速系统, 以改善该机的整体性能,对推动港口机械电气控制与调速系统的更新换代，具有非常现实的意义。
一、参数
起升机构: 起重量40 t
驱动电机 YP355S-8 132 kW×2
起升速度 30 m/ min
空钩( 或只带吊具) 60m/ min
變幅机构: 驱动电机 YP280S-8
37kW×1
变幅速度 32m/ min
回转机构: 驱动电机 YP250M -8
30kW×2
旋转速度 1. 5r / min
行走机构: 驱动电机 YP160L -6
11kW×4
行走速度 26 m/ min
二、变频方案选择分析研究
对于这种用途门座起重机, 其核心机构是起升机构, 在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:1) 低频时能保证恒转矩输出, 以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;2) 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;3) 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放。目前, 从市场上的变频器种类来看,一般分为两大类: 一种是一般用途变频器,仅适用于通风型或反应性负载; 另一种是矢量控制变频器, 适用于如起升机构这类位能性负载。而在这类变频器中, 对再生制动能量的处理方式有两种: 一种是用制动单元和制动电阻来吸收; 另一种是通过在直流侧设置逆变桥使之回馈到电网。在变频器驱动电动机的方式上,又分为单变频器驱动方式和公共直流母线的多逆变器驱动方式。基于以上的分析, 对于我们所研制的多用途门座起重机, 其电气传动系统选择哪一类变频方案最为合理呢? 按照起升机构的负载特性, 首先应该选择矢量控制变频器, 这样才能满足上述分析的起升机构使用变频调速的三要点。由于整个系统( 四大机构) 为多电机传动, 所以优先采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式, 使系统电路简洁、紧凑。再生制动能量采用回馈到电网的方式,这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收的因素。另外, 当任意两个以上的机构同时运行, 某一机构传动电动机处于再生制动状态时, 其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电动机,从而大大提高能量的再生利用率。
三、系统组成及特点分析研究
它由一个整流/ 回馈单元加多个逆变器组成, 逆变器的数量取决于整个电气传动系统所需的逆变器个数。整流/ 回馈单元为各逆变器提供公共直流母线(COM -MON DC BU S) , 它除设有整流桥外, 还设有逆变桥,当电机处于减速或重载下放工况使直流母线电压升高时, 其内部晶闸管逆变桥开始工作, 并将再生制动能量回馈至电网, 从而使系统实现四象限可逆运行。SIM OVERT VC 逆变器提供6种开、闭环控制模式:一是V / f特性曲线( 带有转差补偿的开环频率控制) ;二是具有最高分辨率的 V / f 特性曲线( 开环频率控制, 频率分辨率为0. 001 Hz)，三是V/ f 特性曲线, 带编码器反馈( 带有闭环速度控制的开环频率控制) ;四是闭环频率控制( 无反馈的磁通矢量控制) ;五是闭环速度控制( 带反馈的磁通矢量控制) ;六是闭环转矩控制( 带反馈的磁通矢量控制) 。
整机采用AC380V 低压上机, 三相交流电源经低压配电柜接至整流/ 回馈单元。在整流/ 回馈单元外围电路中增加了进线电抗器和自耦变压器, 整流/ 回馈单元提供公共直流母线给各机构逆变器。如前面所介绍, 起升机构采用两台YP 355S-8变频电动机驱动, 因考虑采用闭环控制, 所以两台电机各选用一台逆变器; 变幅机构采用一台YP280S-8变频电动机驱动, 选用一台逆变器; 回转机构采用两台YP250M-8变频电动机驱动, 而行走机构采用4台YP160L -6变频电动机驱动。因这两个机构同时运行的工况极少, 且驱动电动机总功率和相差不大,故共用一台逆变器。按照前述 SIMOVERT VC 逆变器的6种控制模式, 起升机构两台逆变器选用带速度反馈的闭环磁通矢量控制模式( 速度反馈用旋转编码器) , 使系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性, 满足起升机构位能性负载的四象限运行要求。即使频率为零时起升电动机也能以额定转矩输出。50Hz以下实现恒转矩调速, 空钩或只带吊具时可运行在50 H z 以上, 实现恒功率调速, 运行最高频率设定为100 Hz。变幅机构因考虑到具有平衡补偿系统,所以选用 V/ f 特性控制模式( 带转差补偿的开环频率控制) 。回转及行走机构一般在无大风的情况下其负载特性多呈反抗性负载, 所以逆变器也选用V/ f特性控制模式。系统中采用进线电抗器用于限制电网谐波,减少电网谐波对变频器、整流/ 回馈单元等装置的影响。电抗器参数与电源的短路功率和装置的视在功率之比有关, 当电源短路功率与装置视在功率之比大于50 1时, 整流/回馈单元采用短路压降为4% 的进线电抗器。自耦变压器为整流/ 回馈单元工作于再生制动状态时提供一个高电压加于逆变桥上。该电压为电源电压的1. 2倍, 有工作系数 ED = 25%和 ED =100% 两种类型选择。针对港口门座起重机的起升机构, 考虑到重载下放时行程较长, 释放的能量较大,一般应考虑ED= 100%。设置自耦变压器有以下优点: 一是当系统处在发电状态工作时, 在所有电机转速下均可达到电机的最大转矩,二是在小电网和电网电压有扰动时, 有一个较好的适用性。该系统功能齐全, 编程环境良好, 可直接与上位机相连接。
四、结语
从以上的分析介绍中可得出结论, 在港口多用途门座起重机设计研制中, 采用上述变频调速控制方案具有以下优点:
1) 多电机传动变频调速系统是由一个整流/ 回馈单元+ 多个逆变器来分别驱动多台电动机以代替系统内的多台单个变频器, 它与传统的一个系统使用多台单个变频器的方案相比, 具有投资省、电路结构紧凑等优点。
2) 各机构传动电动机无论是在减速还是重载下降工况处于再生制动状态时, 其再生制动能量经直流母线侧逆变桥回馈至电网, 无需制动电阻等发热元件。其独特的公共直流母线供电方式可使系统内处于发电状态的电动机再生制动能量经公共直流母线提供给处于电动状态的电动机, 具有明显的节能效果。
3) SIMOVERT VC矢量控制型逆变器具有带闭环速度反馈的磁通矢量控制模式,能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求; 可以长时间低速运行; 能有效地防止重载空中溜钩现象。
4) 无需采用机械变速装置, 利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩或只带吊具工况的起升速度提高一倍, 类似于直流电机的弱磁升速方式, 可大大提高生产率。
5) 该系统与常规电气控制方案相比,省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器, 变频电机也比绕线式异步电动机价格低廉, 因而性价比最高。