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)pf 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。