變頻調速技術及其在升船機上的應用

直流電機的較好調速特性和力矩特性，是調速控製的主要方式，在上世紀90年代以前它在電動調速係統中一直處於統治地位。因其結構複雜
、製造成本高
，並且不適應惡劣工作環境
，該項技術的發展在一定程度上受到了限製。交流電機、特別是異步電機，雖然結構簡單、體積小、運行可靠、jiagebianyiyeshiyingeliedegongzuohuanjingdengyixiliedeyoudian，zaitiaosuxitongzhongquehenshaoyingyong，zhidaokekongguiyuanjianwenshihou，yibudiandongjicaizaitiaosuxitongzhongdedaoguangfanyingyong。

由於異步電機的調速技術的進步

，近年來各個行業的電機調速都采用變頻調速
，升船機也是其中的一種
，這種係統具有顯著的可靠性、節能
、省時的效果，本文在介紹變頻技術的同時，介紹了該技術在升船機係統大功率異步電機上的應用。

1 變頻調速的原理及其優點

1.1 變頻調速的原理 變頻調速以交流電作為工作電源
，通過變頻控製，把固定電壓、頻率的交流電，變換為可調壓、調頻的交流電，進而對交流異步電機提供交流工作電源。其基本原理為：n=60f(1-s)/p

式中：n為異步電機轉速，f為電源頻率，P為磁極對數。由此可見，改變電源頻率即可改變異步電動機的轉速。

同tong時shi，因yin頻pin率lv的de下xia降jiang會hui導dao致zhi磁ci通tong的de增zeng加jia，造zao成cheng磁ci路lu飽bao和he，勵li磁ci電dian流liu增zeng加jia
，功gong率lv因yin數shu下xia降jiang，鐵tie芯xin和he線xian圈quan過guo熱re。這zhe顯xian然ran不bu允yun許xu的de。因yin此ci，要yao在zai降jiang頻pin的de同tong時shi還hai要yao降jiang壓ya。這zhe就jiu要yao求qiu頻pin率lv與yu電dian壓ya協xie調tiao控kong製zhi。另ling外wai，在zai許xu多duo情qing況kuang下xia，為wei了le保bao持chi在zai調tiao速su時shi，電dian動dong機ji產chan生sheng最zui大da轉zhuan矩ju不bu變bian，也ye需xu要yao維wei持chi磁ci通tong不bu變bian
，這zhe也ye需xu要yao由you頻pin率lv和he電dian壓ya協xie調tiao控kong製zhi來lai實shi現xian
，故gu稱cheng為wei變bian壓ya變bian頻pin調tiao速su(VVVF)，簡稱變頻調速。

根據異步電機的控製方式不同
，變壓變頻調速可分為：恒定壓頻控製調速、矢量控製變頻調速
、直接轉矩控製變頻調速等。

1.2 變頻調速的優點 變頻調速的調節性能，具有調速平滑性好
、機械特性較硬、tiaojieguangdujiaoda，shixianhengzhuanjuhuohenggonglvtiaosubianjie
，qitiaosutexingyuzhiliudiandongjidetiaoyatiaosuhelicitiaosushifenleisi，bingqiekeyiyuzhiliutiaosuxiangpimei
，shenzhichaoguozhiliutiaosu。

2 變頻調速器的分類

2.1 從變頻器的主電路形式上劃分，可分為交-直-交型變頻器和交-交型變頻器。其中，交-直-交型變頻器工作原理為：首先通過整流器將電網電源變換為直流電

，再由逆變器將直流電變換成頻率和幅值均能調節的交流電。與交-交型變頻器相比，無論從幅值及頻率的調節寬度，以及調節平滑性上
，都具有顯著的優點。升船機上采用的變頻器即為交-直-交型。

2.2 從交流電源的性質上，變頻器又可分為電壓變頻器(圖1)和電流變頻器(圖2)兩種。其主要區別
，在於中間直流環節采用了何種形式的濾波器。

其中：dianyabianpinqijiecaiyongdadianronglvbo，qiyoudianshizhiliudianyaboxingjiaopingzhi
，shishijiayufuzaishangdedianyazhijibenshangbushoufuzaideyingxiangjibenbaochihengding
，suoyiyunxingshijihubushoufuzaidegonglvyingxiang，erquedianshifuzaichuxianduanluhuobianpinqiyunxingzhuangtaixiatourufuzai，yichuxianguodianliu，bixuzaijiduanshijianneishijiabaohucuoshi。

電dian流liu型xing變bian頻pin器qi的de中zhong間jian直zhi流liu環huan節jie所suo采cai用yong的de是shi大da電dian感gan濾lv波bo，直zhi流liu電dian流liu的de波bo形xing比bi較jiao平ping直zhi，使shi施shi加jia在zai負fu載zai上shang的de電dian流liu值zhi穩wen定ding不bu變bian，基ji本ben上shang不bu受shou負fu載zai的de影ying響xiang
，其qi特te性xing與yu電dian流liu源yuan相xiang似si，故gu稱cheng為wei電dian流liu型xing變bian頻pin器qi。電dian流liu型xing變bian頻pin器qi的de整zheng流liu部bu分fen一yi般ban采cai用yong相xiang控kong整zheng流liu或huo直zhi流liu斬zhan波bo，通tong過guo改gai變bian直zhi流liu電dian壓ya來lai控kong製zhi直zhi流liu電dian流liu，從cong而er構gou成cheng可ke調tiao的de直zhi流liu電dian源yuan來lai達da到dao控kong製zhi輸shu出chu的de目mu的de。電dian流liu型xing變bian頻pin型xing由you於yu電dian流liu的de可ke控kong性xing較jiao好hao，可ke限xian製zhi因yin逆ni變bian裝zhuang置zhi換huan流liu失shi敗bai或huo負fu載zai短duan路lu引yin起qi的de過guo流liu

，保bao護hu的de可ke靠kao性xing較jiao高gao，因yin此ci用yong在zai頻pin繁fan加jia減jian速su的de場chang合he多duo一yi些xie。

3 變壓變頻協調控製

為了實現對異步電機電壓和頻率的協調控製
，需考慮基頻f1(基本頻率)以下和基頻以上兩種情況。基頻在多數情況下等於額定頻率fN。基頻是變頻器對電機進行恒轉矩控製和恒功率控製的分界線，基頻以下一般采用恒轉矩調速，基頻以上通常采用恒功率調速。

3.1 基頻f1以下調速控製 zaixiangtongdezhuanjuxiangweijiaodetiaojianxia
，weichiyidingtiaosufanweineicitonghengding。tongguokongzhidianjidedianliuhengding，jikekongzhidianjidezhuanjuhengding，zhezhongkongzhifangshichengweihengzhuanjukongzhi(即電機在速度變化的動態過程中，具有輸出恒定轉矩的能力);其控製的重點，在於維持一定調速範圍內的磁通恒定。

3.1.1 恒定壓頻比(U1/f1)控製 恒定U1/f1控製是異步電動機變頻調速的最基本控製方式，在控製電動機的電源頻率變化的同時還控製變頻器的輸出電壓，使U1/f1為恒定
，從而使電動機的磁通基本保持恒定。

恒定U1/f1控製的基本模型是電動機的穩態數學模型

，從而
，其控製效果隻有在穩態時才符合要求。例如在電機正常運行時，電動機電阻r1和定子漏電抗x1的壓降較小，基本可以忽略不計。在這種情況下，電機定子電壓U1與感應電動勢Eg近似相等。恒定U1/f1控製最容易實現，也能滿足一般的調速要求
，並且，其最突出的優點就是可以進行電機的開環速度控製。 　　但是，恒定U1/f1控製在低速運行狀態下性能較差
，這是因為低速狀態下，異步電動機定子電阻壓降所占比例增大，不能忽略，電機U1≈Eg的條件已不滿足;從而按U1/f1控製已不能保持電機磁通恒定。結果造成電機磁通減小

，電機電磁轉矩的的減小。因此
，在低速運轉的時候
，要適當加大U1/f1的值，以補償定子壓降。

3.1.2 恒定氣隙磁通ΦM控製 異步電機定子的感應電勢：Eg=4.44f1N1KN1ΦM

從以上公式可知，如果要保持磁通量ΦM不變
，當頻率f1變化時，必須改變電動勢Eg的大小，使Eg/f1等於一個常值。另外，電機定子電壓u1=Eg+(r1+jx1)I1。因此，適當的提高定子電壓u1，克服定子阻抗壓降，從而能維持Eg/f1為恒值;則可保證無論頻率高低，磁通ΦM均為常值，實現恒定Eg/f1控製。恒定Eg/f1控製，與恒定壓頻控製相比，補償了定子阻抗壓降，在控製穩態性能上更具優點。

Eg/f1控製

3.1.3 恒定轉子磁通?準r(Er/f1)控製 在電壓、頻率協調控製的基礎上
，把電壓U1進一步提高，使轉子漏抗上的壓降也抵消掉;這種控製方式即稱之為恒定Er/f1控製。顯然
，恒定Er/f1控製的穩態性能最好

，可獲得與直流電機一樣的線性機械特性。從電動勢與磁通的關係的公式(Eg=4.44f 1N1KN1ΦM)中可看出，當頻率恒定時電動勢與磁通成正比

，氣隙磁通Eg的感應電動勢對應氣隙磁通ΦM。同樣，轉子磁通的感應電動勢Er對應於轉子磁通?準r時， Er=4.44f1N1KN1?準r。因此，隻要能夠按照轉子磁通?準r等於恒值來進行控製，就可以實現恒定Er/f1控製。這也正是矢量控製係統所遵循的原則。

3.2 基頻f1以上調速 根據公式Eg=4.44f1N1KN1ΦM
，當(dang)頻(pin)率(lv)增(zeng)加(jia)時(shi)，電(dian)機(ji)的(de)電(dian)壓(ya)隨(sui)之(zhi)提(ti)高(gao)。但(dan)若(ruo)電(dian)機(ji)電(dian)壓(ya)已(yi)到(dao)達(da)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)
，繼(ji)續(xu)升(sheng)壓(ya)就(jiu)可(ke)能(neng)造(zao)成(cheng)電(dian)機(ji)絕(jue)緣(yuan)損(sun)壞(huai)。因(yin)此(ci)，頻(pin)率(lv)升(sheng)高(gao)的(de)同(tong)時(shi)，必(bi)須(xu)降(jiang)低(di)磁(ci)通(tong)量(liang)，從(cong)而(er)保(bao)持(chi)電(dian)機(ji)電(dian)壓(ya)不(bu)變(bian)。此(ci)時(shi)
，電(dian)機(ji)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)由(you)電(dian)機(ji)額(e)定(ding)電(dian)壓(ya)和(he)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)決(jue)定(ding)，不(bu)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)而(er)變(bian)化(hua)，具(ju)有(you)恒(heng)功(gong)率(lv)特(te)性(xing)。相(xiang)當(dang)於(yu)直(zhi)流(liu)電(dian)機(ji)弱(ruo)磁(ci)升(sheng)速(su)的(de)工(gong)作(zuo)狀(zhuang)態(tai)。

4 變頻調速在升船機上的應用

隨著變頻調速技術的快速發展
，逐步在升船機係統中代替了直流調速電機，並且以明顯的優勢占據著主導地位。

4.1 係統的構成

4.2 係統工作原理 三(san)相(xiang)交(jiao)流(liu)電(dian)輸(shu)入(ru)到(dao)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)整(zheng)流(liu)裝(zhuang)置(zhi)，整(zheng)流(liu)為(wei)標(biao)準(zhun)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)，然(ran)後(hou)輸(shu)入(ru)到(dao)傳(chuan)動(dong)係(xi)統(tong)的(de)逆(ni)變(bian)裝(zhuang)置(zhi)，進(jin)而(er)轉(zhuan)變(bian)為(wei)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)現(xian)場(chang)需(xu)要(yao)的(de)頻(pin)率(lv)可(ke)調(tiao)的(de)標(biao)準(zhun)正(zheng)弦(xian)電(dian)，於(yu)是(shi)使(shi)變(bian)頻(pin)電(dian)機(ji)的(de)轉(zhuan)速(su)可(ke)根(gen)據(ju)現(xian)場(chang)可(ke)以(yi)調(tiao)節(jie)。這(zhe)裏(li)把(ba)交(jiao)流(liu)電(dian)變(bian)成(cheng)直(zhi)流(liu)電(dian)再(zai)變(bian)成(cheng)交(jiao)流(liu)電(dian)

，而(er)不(bu)是(shi)直(zhi)接(jie)使(shi)用(yong)逆(ni)變(bian)裝(zhuang)置(zhi)使(shi)交(jiao)流(liu)變(bian)交(jiao)流(liu)，原(yuan)因(yin)是(shi)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)較(jiao)平(ping)直(zhi)
，使(shi)加(jia)於(yu)負(fu)載(zai)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)基(ji)本(ben)不(bu)受(shou)負(fu)載(zai)的(de)影(ying)響(xiang)
，基(ji)本(ben)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)。變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)使(shi)最(zui)小(xiao)轉(zhuan)速(su)達(da)到(dao)0.1RPM，tiaosufanweiguang，tiaosupinghuaxinghao，shixianhengzhuanjuhehengzhuansushuangzhongtiaosukongzhi，bingqieqitiaosutexingyuzhiliudianjidetiaoyatiaosuleisi，shenzhibizhiliutiaosugengwanmei。

變(bian)頻(pin)電(dian)機(ji)帶(dai)動(dong)減(jian)速(su)機(ji)，然(ran)後(hou)再(zai)帶(dai)動(dong)卷(juan)筒(tong)轉(zhuan)動(dong)。減(jian)速(su)機(ji)專(zhuan)門(men)配(pei)備(bei)一(yi)套(tao)稀(xi)有(you)潤(run)滑(hua)係(xi)統(tong)，采(cai)用(yong)壓(ya)力(li)油(you)泵(beng)強(qiang)製(zhi)循(xun)環(huan)，使(shi)減(jian)速(su)機(ji)在(zai)正(zheng)常(chang)運(yun)轉(zhuan)中(zhong)不(bu)斷(duan)地(di)得(de)到(dao)潤(run)滑(hua)。製(zhi)動(dong)係(xi)統(tong)分(fen)為(wei)兩(liang)級(ji)製(zhi)動(dong)，工(gong)作(zuo)製(zhi)動(dong)和(he)安(an)全(quan)製(zhi)動(dong)，一(yi)旦(dan)出(chu)現(xian)突(tu)發(fa)情(qing)況(kuang)，安(an)全(quan)製(zhi)動(dong)係(xi)統(tong)首(shou)先(xian)分(fen)級(ji)上(shang)閘(zha)
，待(dai)轉(zhuan)速(su)降(jiang)低(di)為(wei)零(ling)之(zhi)後(hou)工(gong)作(zuo)製(zhi)動(dong)器(qi)上(shang)閘(zha)，確(que)保(bao)安(an)全(quan)運(yun)行(xing)。

4.3 變頻調速與直流調速的比較 chuantongdeshengchuanjishiyongdeshizhiliutiaosuxitong，youyuzhiliudianjidejiaohaotiaosutexing，zaibianpintiaosuzhiqiantayizhizaidiandongtiaosuxitongzhongchuyutongzhidiwei。keshiyouyushijishiyongzhongxuyaodezhiliudianyuanrongliangbijiaoda，xianchangbixupeibeiyitaoyuzhixiangduiyingdezhiliufadianxitong，youjiaoliuyibudiandongjizuoweiyuandongli
，daidongzhiliufadianji，ranhouzaigenjuzhiliudianjidetiaosutexing，duishengchuanjijinxingzhengchangyunxing。

變頻調速係統則是由一套傳動係統(整流裝置
、逆變裝置)就可以對電動機實現較好的調速控製，實現升船機的運行。

5 結束語

shengchuanjicaiyongbianpindianjijinxingtiaosu
，budanshitiaosuxitongdejiegoudadajianhua，zhizaochengbendadajiesheng
，erqieduiyurihoudeyunxingyeshijiandanyicaozuo，jidadefangbianleyunxingrenyuan，tigaolegongzuoxiaolv。