变频器控制在行车上的应用浅析

变频器控制在行车上的应用浅析

炼钢厂王贺

摘要：本文结合炼钢厂行车变频器的使用状况，介绍了变频调速系统的工作原

理及控制方式，从变频器选型到常见故障和日常维护应注意的问题都进行了阐述，为实际工作中变频器的使用及其控制方式的选择提供了借鉴。关键词：变频器行车选型维护

第一章变频器原理简介及在工厂中的使用

1.1变频器在工业现场的应用

1.1.1早期行车的电气控制方式

起重设备是工矿冶金企业一种常用的工业设备，它给生产和工作中带来了很大的便利，既大大减少了人力的浪费，又避免了危险工作环境对人的危害性。在我们特殊钢分公司炼钢厂内共有80台行车，其中一分厂60t 产线有22台行车，一分厂100t 产线有18台行车，二分厂共有行车40台。早期行车运动的电气控制通常采用的是交流绕线转子异步电动机转子串电阻的方法进行起动和调速控制，由继电器与接触器进行控制。这种控制方式存在着一些缺点：

1．控制电路复杂．故障率较高．维修工作量大、维修费用高。

2．起动电流大、设备机械特性软，电阻烧损和断裂故障时有发生，且负载变化时转速也变化，调速不理想。

3．由于是有级调速，大车、小车和吊钩的运行不平稳．起吊的重物容易甩动，下放重物时的冲击可能损坏精密设备。

4．电动机低速运行时转子回路的外接电阻消耗大量的能量．电动机的效率很低。

1.1.2变频器的工作原理

交流电动机的同步转速表达式为：

n ＝(1－s )(1)p

f 60式中：n 为异步电动机的转速；

f 为异步电动机的频率；

内部事项

注意保存

s为电动机转差率；

p为电动机极对数。

由式(1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。常见的交直交型变频器原理如图1所示：

图1交直交变频器工作原理简图

由于变频器在调速方面的诸多优越性，高性能的变频器及其先进的交流变频调速控制技术被越来越多的应用在各种起重设备上。同时，变频器和PLC、网络通讯等先进的控制技术的结合，也使起重设备的工业自动化性能有了更大提高。

1.1.3起重设备应用变频调速系统的优点：

1．变频调速可以方便的接入PLC等先进的控制系统，实现无触点控制起重设备拖动系统。

2．工作可靠性显著提高，系统的故障率大为下降，电磁抱闸的使用寿命延长。3．变频器调速控制系统的保护功能能够对缺相、欠压、过压、过流等做到及时准确的检测而自动采取应变措施保护电机。

4．节能效果明显，在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，不但外接电阻内消耗的大量电能可以节约，并且在起重设备放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。

变频调速在工业现场应用的优势显而易见，在现阶段的现场设备中，采用变频控制已经成为主流，并将在很长一段时期内被广泛的接受。在炼钢厂现有的80台行车设备中，绝大多数的行车大小车部分都采用了变频器控制，变频控制的简易性、保护性等受到了大家的一致认可。

第二章变频器的控制方式及ABB变频器

2.1变频器控制方式发展

变频调速系统的工作原理是借助于控制技术、电力电子技术和计算机技术的结合，使系统获得需要的电压、电流和频率。各类变频器输出一般为可变电压、可变频率的形式。其控制方式主要有以下4种。

2.1.1u/f控制方式

第一代变频器采用压频比标量控制方式，是最基本的控制方式。它是通过对定子每相电动势和电动机交流电源的频率进行适当控制，可使气隙磁通保持不变。分两种情况：基频以下的恒磁通变频调速，即为使电机的气隙主磁通保持不变，可采用定子相电压与交流电源的频率的比值近似等于常数的方式进行控制，属于恒转矩调速方式。基频以上的弱磁通变频调速，因受额定电压限制，在频率由额定值增加时会使主磁通减小，导致转矩减小，属于近似恒功率调速。

图2异步电动机变频调速基本方式时的控制特性

异步电动机调速的基本方式如图2所示。通过变频装置，获得电压频率均可调的供电电源，实现调速控制，即VVVF控制。

2.1.2转差频率控制

由公式（1）可知，改变转差率以改变异步电动机的转速n。转差频率控制就是通过检测电动机的转速相对应的频率与转差频率的和来给定变频器的输出，能控制与转差率有直接关系的转矩和电流。该方式往往包含电流控制环节，由于转差频率和电流共同被控制，因而稳定性能较好，能承受急剧的加减速度和负荷波动，并因采用了速度反馈环节，大大地提高了转速控制精度。它将转速放大器

的输出转换成转差频率和电流指令，在各自控制环节中变成变频器频率指令和异步电动机定子端电压指令。频率指令和定子端电压指令后，其线路结构与u／f 控制方式相同。该方式必须进行闭环控制，因此常被用于单机运行，能得到恒定输出特性，并且高低转速时都能输出较大转矩。其优点是转子差频变化能反映负荷变化，能适应于系统急剧加速及负荷变化大的情况，大大提高了加速控制精度，但其机械特性同u／f控制方式一样都是非线性的，因而产生的动态转矩受到限制。

2.1.3矢量控制

第二代变频器主要特征在于采用空间矢量控制，参照直流电动机控制方式将异步电动机定子电流空间矢量分为产生磁通的转子励磁分量和与此垂直产生转矩的电流分量。比前两种控制完善得多，调速范围宽、起动力矩高、精度高达0.01％，响应快。高精度调速都采用矢量控制变频器SVPWM。矢量控制和矢量调节实质在于消除电机多变量的内在耦合，并控制其大小及相位，从而获得优良的动态性能，缺点是控制回路复杂，成本相对较高。

图3闭环矢量控制结构图

2.1.4直接转矩控制

由于矢量控制对电机参数变化的依赖性较大，特别是当电机参数变化较大时，难以保证动态过程完全解耦。为解决这个难题，前西德学者于1985年发明了直接转矩控制(DTC)。它以异步电动机的转矩直接作为被控制量，强调转矩的直接控制效果，并不极力追求理想正弦波。它与矢量控制技术并行发展但又有所不同，避免了矢量控制中二次坐标变换及求模和相角的复杂计算，直接在静止坐标系(定子坐标系)上借助三相定子电压和电流计算电机的转矩和励磁，并与给定转矩和励磁进行比较，通过对转矩的Bang—Bang控制，使转矩响应在一拍内完成且无超调闭。接转矩控制方法不仅系统结构简单，对电机参数化不敏感，而且控制性能比矢量控制还好，这是目前最先进的控制方式。转矩矢量控制直接取

交流电动机参数进行控制，控制简单，精确度高，处理速度非常快，但处理器DSP 及很多硬件都是高速器件，价格较贵。

图4直接转矩控制的基本部分

2.2炼钢厂行车变频器使用情况

2.2.1炼钢厂变频器使用概况

去年的一个阶段二分厂行车变频器接连出现故障问题，我们对二分厂行车的变频器型号及对应电机型号进行了统计，并收集了有关变频器选型和防护等级的相关要求，结合二分厂的实际使用情况，对有关变频器的使用进行了综合分析。通过分析与总结，我们积累了很多关于变频器日常维护及使用的经验，在大家共同努力下已经大大减少了变频器的故障率。

2.1.2炼钢厂变频器品牌及型号

在炼钢厂范围内，所有行车系统大小车控制使用的都是由ABB公司生产的变频器。其型号为ACS550、ACS600、ACS800系列的变频器。其中绝大多数为ACS600、ACS800系列变频器，ACS600、ACS800系列为采用先进的DTC技术高性能变频器。

2.3ABB ACS系列变频器简介

ABB公司的电动机直接转矩控制(DTC)变频技术，1998年前后进人中国的变频器市场。ACS系列产品以其优异的性能和良好的服务赢得了市场优势，在起重领域有着重要的实用价值。

2.3.1DTC技术是ACS系列变频器的核心

由上文介绍，直接转矩控制(DTC)对交流传动来说是一个较优的电动机控制方法。在DTC中，所有的开关状态都是由电机的转矩和磁通实时决定的，而不象通常的脉宽调制(PWM)，其开关状态被预先确定。它的优点是控制系统可以根

据需要实现很快的转矩响应速度和很高的转矩速度来控制精度；由于DTC直接控制电机定子磁链，定子磁链观测器能准确地估算出转子速度，因而可以实现无速度传感器的控制。

2.3.2DTC电动机辩识运行

ACS系列变频器DTC控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别(Identification，简称ID)，通过ID运行自动确立电动机实际的定子阻抗、互感、铁芯的饱和因素、电动机的惯量等，然后根据电机数学模型估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度等，去实施最优的控制。在多电机传动时，只要电机的额定电压、额定功率、额定转速相同，将总的额定电流值和总的功率值输入变频器，依然允许实行DTC控制，特别适用于大小车走行电动机的传动，它可以大幅度提高控制性能。

2.3.3ACS系列变频器的应用特点

1．ACS变频器应用方便、控制器小型化、便于操作；监控功能强大，汉化显示屏可提供40多种内容的监控信息，并优先显示工作异常和故障内容，便于判断和维修。

2．ACS变频器的选型工具软件Drive Size已考虑了如海拔高度、温度环境、电机负载类型等环境因素，利用电机热模型优化供电和逆变单元，提供所需的转矩和功率；同时辨识电机的磁通和机械状态，可在任意条件下随时起动电机，自动实行功率优化，系统动力性能好，可提高作业效率20％。

3．调速范围广，大、小车，主、副钩可实现无级变速。钩头速度1．8～18m ／min，大车速度5～55m／min，小车速度4～50m／min；基本可以消除吊车在运行中对钢结构带来的硬冲击。

4．无功能耗低、效率高，节省电能，耗电量降低18％。

由于ABB ACS系列变频器在DTC技术上的领先性和较高的性价比，它的产品已经被广大的用户所认可，在今后一段时间里，ABB产品将会在工控领域发挥越来越大的作用。

第三章行车变频器常见故障和维护方法

变频器在正常使用6-10年后，就进入故障的高发期，经常会出现元器件烧

坏、失效、保护功能频繁动作等故障现象，严重影响其正常运行。做好变频器的维护工作，使变频器在实际中出现的各种故障得到及时处理和解决，并延长其使用寿命，很具有实际意义。

首先，要根据变频器的使用技术规范要求，制定完善的日常维护措施和检修周期，使故障隐患在初期得到解决，尤其是在恶劣环境条件下使用的变频器，这项措施更为重要。

其次，专业维修人员必须全面了解其原理、结构和控制方式等常识。此外，还要有丰富的实践维修经验和扎实的电气理论知识。

3.1变频器的选型要求

变频器的选择包括通用变频器的类型选择和容量选择两个方面，类型的选择要根据负载特性进行。变频器容量选型可以从电机型号、规格的角度来考虑。

3.1.1从负载特性看

根据负载特性选择变频器，选择变频器时要了解变频器所驱动的负载特性。人们在实践中常将生产机械分为三种类型:恒转矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。我们行车上面大车和小车属于恒转矩负载。

负载转矩TL与转速n无关，任何转速下TL总保持恒定或基本恒定。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避免电动机的温升过高。对于要求精度高、动态性能好、速度响应快的生产机械，应采用矢量控制或直接转矩控制型通用变频器。

3.1.2由电机参数选择型号

(1)﹑选择变频器时应以实际电机电流值作为变频器选择的依据，电机的额定功率只能作为参考。另外，应充分考虑变频器的输出含有丰富的高次谐波，会使电动机的功率因数和效率变坏。因此，用变频器给电动机供电与用工频电网供电相比较，电动机的电流会增加10％而温升会增加20％左右。所以在选择电动机和变频器时，应考虑到这种情况，适当留有余量，以防止温升过高，影响电动机的使用寿命。

(2)﹑变频器若要长电缆运行时，此时应该采取措施抑制长电缆对地耦合电容的影响，避免变频器出力不够。所以变频器应放大一、两档选择或在变频器的输出端安装输出电抗器。

(3)﹑对于一些特殊的应用场合，如高环境温度、高开关频率、高海拔高度

等，此时会引起变频器的降容，变频器需放大一档选择。

(4)﹑电机的额定电流：电机的额定电流根据电机的功率不同而不同。选择变频器时，变频器的额定电流应大于或等于电机的额定电流，特殊情况应将变频器功率档次放大一档。

(5)﹑绕线电动机与普通的鼠笼电动机相比，绕线电动机绕组的阻抗小。因此，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象，所以应选择比通常容量稍大的变频器。.

(6)﹑一般情况下，我们选择变频器的功率一般都会选择和电机的功率一样，在有些特殊情况下，我们也会选择变频器的功率大于电机的额定功率，以保证变频器带动电机能够正常运行。并列电机和多台电机用一台v/f控制变频器同时运行时（要求起停一致），按电机额定电流总和的1.1倍以上确定变频器额定电流，选定变频器容量。

(7)﹑电机的起动/加速特性受到变频器额定过载电流的限制，和一般工频电源比，力矩特性值变小。需要大起动力矩时，要选大一级的变频器，或者把电机和变频器容量都提高

(8)﹑温度对变频器的影响：变频器的使用环境温度一般适用在-10℃～+40℃，湿度在低于90%的环境工作中。环境温度若高于40℃时候，每升高1℃，变频器应降额5%使用。环境温度每升10℃，则变频器寿命减半，所以周围环境温度及变频器散热的问题一定要解决好。

(9)﹑湿度对变频器的影响：空气的相对湿度≤95%，无结露。湿度太高且湿度变化较大时，变频器内部易出现结露现象，其绝缘性能就会大大降低，甚至可能引发短路事故。必要时在箱中增加干燥剂和加热器。

3.2行车变频器常见故障及维护

3.2.1变频器故障分类

根据变频器发生故障或损坏的特征，一般可分为两类；一种是在运行中频繁出现的自动停机现象，并伴随着一定的故障显示代码，其处理措施可根据随机说明书上提供的指导方法，进行处理和解决。这类故障一般是由于变频器运行参数设定不合适或外部工况、条件不满足变频器使用要求所产生的一种保护动作现象；另一类是由于使用环境恶劣，高温、导电粉尘引起的短路、潮湿引起的绝缘降低或击穿等突发故障（严重时，会出现打火、爆炸等异常现象）。这类故障发生后，一般会使变频器无任何显示，其处理方法是先对变频器解体检查，重

点查找损坏件，根据故障发生区，进行清理、测量、更换，然后全面测试，再恢复系统，空载试运行，观察触发回路输出侧的波形，当6组波形大小、相位差相等后，再加载运行，达到解决故障的目的。

3.2.2变频器充电起动电路故障

当变频器刚上电时，由于直流侧的平波电容容量非常大，充电电流很大，通常采用一个起动电阻来限制充电电流。充电完成后，控制电路通过继电器的触点或昌闸管将电阻短路。起动电路故障一般表现为起动电阻烧坏，变频器报警显示为直流线线电压故障。一般变频器的设计时，为了减小变频器的体积而选择较小起动电阻；当变频器的交流输入电源频繁接通，或者旁路触器的触点接触不良时，都会导致起动电阻烧坏。因此在替换电阻的同时，必须找出原因，如果故障是由输入侧电源频率开始引起的，必须消除这种现象才能将变频器投入使用，如果故障只由旁路触元件引起，则必须更换这些器件。

3.2.3变频器无故障显示，却不能高速运行

经检查变频器参数设置正确，调速输入信号正常，经上电运行测试，变频器直流母线电压只有450V左右(正常应在580V~600V)，再测输入侧，发现缺了一相。故障原因是输入侧的一个空气开关一相接触不良造成的。造成变频器输入缺相不报警，仍能在低频段工作，是因为多数变频器的母线电压下限为400V，只有当母线电压降至400V以下时，变频器才报告故障。而当两相输入时．直流母线电压为380V×1．2=452V：>400V。当变频器不运行时，由于平波电容的作用，直流电压也可达到正常值，新型的变频器都采用PWM控制技术，调压调频的工作在逆变桥完成，所以在低频段输入缺相时仍可以正常工作．但因输入电压，输出电压低，造成异步电动机转速低频率上不去。

3.2.4变频器显示过流

出现这种显示时．首先检查加速时间参数是否太短，力矩提升参数是否太大，然后检查负载是否太重。如果没有这些现象，可以断开输出侧的电流互感器和直流侧的霍尔电流检测点，复位后运行，看是否出现过流现象。如果是，很可能是IPM模块出现故障，因为IPM模块内含有过压过流，欠压，过载、过热，缺相、短路等保护功能，而这些故障信号都是经模块控制引脚的输出Fn引脚传送到控制器的。微控制器接收到故障信息后，一方面封锁脉冲输出，另一方面将故障信息显示在面板上，故应更换IPM模块。

3.2.5变频器显示过压故障

过压故障一般出现在雷雨天气，由于雷电串入变频器的电源中，使变频器直流侧的电压检测器动作而跳闸，这种情形，通常只需断开变频器电源l分钟左右再上电即可，另一种情况是变频器驱动大惯性负载，而出现过电压现象。这种情况下，一是将减速时间参数加长或增大制动电阻(制动单元)；二是将停止方式设置为自由停车方式。

3.2.6电机发热，变频器显示过载

出现这种情况时，对于投入运行的变频器，必须检查负载状况，新安装的变频器出现这种故障，很可能是V／F曲线设置不当或电机参数设置有问题，此时必须正确设置参数，另外，电机在低频工作时散热性能变差，也会出现这种情况，这就需加装散热装置。

采用变频器作为异步电动机驱动器，尽管其可靠性很高，但是如果使用不当或遇偶然事件，也会造成系统的损坏。要想使用好变频器，必须熟悉其的结构原理，了解常见故障，这样才能更好的应用变频器各种功能，让变频调速发挥更大的作用。

3.3炼钢厂行车变频器使用存在的问题及解决方案

3.3.1二分厂的行车高故障率的原因分析如下：

1﹑首先在变频器的选型上，通过对变频器和电机电机型号的对比，基本上所有的变频器都做到了与之对应的电机容量匹配，但是大多数并未并没有根据我们行车生产现场的实际情况留出一定余量，这使得变频器在使用过程中的故障率较高。

2﹑在IP防护等级上，我们现场使用的变频器所选用的IP等级基本上为

IP21,，甚至为IP00，这种的级别的防护等级远达不到对行车现场的防护要求，由于现场的粉尘颗粒的侵入和湿气的影响，大大影响了变频器的使用寿命。

3﹑行车频繁的启停给我们的变频器带来了一定冲击，振动造成了变频器的内部电子器件的机械损伤，影响了电子器件的使用寿命，进而提高了变频器的故障率。

4﹑由于炼钢生产环境的特殊性，行车上电机﹑控制柜及其他设备上均长期附着厚厚的粉尘，变频器周围环境的温度更是很难达到要求的40℃左右，高粉尘与高温及部分行车上的湿度给变频器的使用造成了不利影响。

3.3.2目前计划采取的措施：

1﹑建议根据现场的实际使用情况，对部分变频器从容量﹑防护等级﹑环境等因素进行综合考虑，选择更换适合现场使用的变频器型号，并应留有一定余量。

2﹑现在行车上变频器的参数多为设计单位提供的原参数，下一步计划根据我们现场的实际应用，对现有参数进行适当的修改。

3﹑就工作现场而言，高温的影响使相当大的，所以改善变频器的周围环境是很必要的，现在部分行车控制柜内空调的制冷效果明显不够，计划更换制冷效果良好的空调，已达到设备对周围温度的要求。

4﹑目前控制柜的密封性不好，使得现场生产引起的大量粉尘涌入控制柜，影响电子器件的使用寿命，应结合现场实际对控制柜做密封防尘处理。

结束语

变频器的使用给人们带来了极大的方便和巨大的经济效益，也为工业自动化的推广做出了巨大贡献，在我们分厂变频器不仅仅使用在行车这一点，各个工位上变频调速都发挥着巨大的作用，理解变频调速的原理，熟悉我们具体应用的变频器的构造和具体操作方式，在日常工作中多用心多动脑，是我们每一位设备技术人员的责任。

参考文献

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