電動機的功率因數(shù)

1、電動機知識隨著起重機的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)控制技術難以滿足起重機越來越高的調(diào)速和控制要求。在電子技術飛速發(fā)展的今天，起重機與電子技術的結(jié)合越來越緊密，如采用PLC取代繼電器進行邏輯控制，交流變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式等。在選型對比基礎上，本項目電動機調(diào)速裝置采用了先進的變頻調(diào)速方案，變頻器最終選型為ABB變頻器ACS800，電動機選用專用鼠籠變頻電動機。在眾多交流變頻調(diào)速裝置中，ABB變頻器以其性能的穩(wěn)定性，選件擴展功能的豐富性，編程環(huán)境的靈活性，力矩特性的優(yōu)良性和在不同場合使用的適應性，使其在變頻器高端市場中占有相當重要的地位。ACC800變頻器是ACS800系列中具有提升機

2、應用程序的重要一員，它在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術，例如起動向?qū)В远x編程，DTC控制等，非常適合作為起重機主起升變頻器使用。本文結(jié)合南京梅山冶金發(fā)展有限公司設備分公司所負責維修管理的寶鋼集團梅鋼冷軋廠27臺橋式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，詳細介紹ACC800變頻器在起重機主起升中的應用。1DTC控制技術DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制，DirectTorqueControl）技術是ACS800變頻器的核心技術，是交流傳動系統(tǒng)的高性能控制方法之一，它具有控制算法簡單，易于數(shù)字化實現(xiàn)和魯棒性強的特點。其實質(zhì)是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐標系下建立異步電動機空間矢量數(shù)學模型，通過測量三相定子電壓和

3、電流（或中間直流電壓）直接計算電動機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值，并與給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行比較，開關邏輯單元根據(jù)磁鏈比較器和轉(zhuǎn)矩比較器的輸出選擇合適的逆變器電壓矢量（開關狀態(tài)）。定子給定磁鏈和對應的電磁轉(zhuǎn)矩的實際值，可以用定子電壓和電流測量值直接計算得到。在計算中，只需要一個電動機參數(shù)定子電阻，這一點和幾乎需要全部電動機參數(shù)的直接轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制（矢量控制）形成了鮮明對比，極大地減輕了微處理器的計算負擔，提高了運算速度。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構較為簡單，可以實現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩響應（不大于5ms）。2防止溜鉤控制作為起重用變頻系統(tǒng)，其控制重點之一是在電動機處于回饋制動狀態(tài)下系統(tǒng)的可靠性（"回饋"是指

4、電動機處于發(fā)電狀態(tài)時通過逆變橋向變頻器中間直流回路注入電能），尤其需要引起注意的是主起升機構的防止溜鉤控制。溜鉤是指在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止狀態(tài)出現(xiàn)下滑的現(xiàn)象。電磁制動器從通電到斷電（或從斷電到通電）需要的時間大約為016s（視起重機型號和起重量大小而定），變頻器如過早停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤，因此變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生"過流"而跳閘的誤動作。防止溜鉤現(xiàn)象的方法是利用變頻器零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流制動勵磁功能。零速全轉(zhuǎn)矩功能，即變頻器可以在速度為零的狀態(tài)下，保持電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，從而保證起重設備在速度為零

5、時，電動機能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，以防止溜鉤的發(fā)生。直流制動勵磁功能，即變頻器在起動之前自動進行直流強勵磁，使電動機有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，維持重物在空中的停止狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會發(fā)生溜鉤。3系統(tǒng)硬件配置梅鋼冷軋橋式起重機上應用的ACS800變頻器調(diào)速系統(tǒng)由電控柜，大小車變頻控制柜，起升變頻控制柜，聯(lián)動控制臺等組成。主起升采用1臺ACC800變頻器驅(qū)動1臺起升專用電動機，并在電動機軸尾安裝1臺速度編碼器，做速度反饋用。該速度編碼器用來提高低速狀態(tài)下電動機模型的速度和轉(zhuǎn)矩計算精度，保證轉(zhuǎn)矩驗證，開閉閘等功能。主起升采用斬波器加制動電阻實現(xiàn)制動功能，斬波器與

6、制動電阻串聯(lián)后接入變頻器整橋與逆變橋之間的直流回路中，并由變頻器根據(jù)中間直流回路電壓高低控制斬波器接通與否（即控制制動電阻的投切）。變頻器配有RPBA201接口卡件，提供標準的Profibus2DP現(xiàn)場總線接口，用于與PLC通信控制，并接收PLC發(fā)來的開，停車命令和速度設定值等控制參數(shù)。4起升變頻器功能參數(shù)設置ABB變頻器在出廠時，所有功能碼都已設置。但是，起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠設定值不盡相同，所以，ACC800中一些重要的功能參數(shù)需要重新設定。（1）起動數(shù)據(jù)（參數(shù)組99）參數(shù)99102（用于提升類傳動，但不包括主/從總線通信功能）：CRANE；參數(shù)99104（電動機控制模式）：DTC

7、（直接轉(zhuǎn)矩控制）；參數(shù)9910599109（電動機常規(guī)銘牌參數(shù)）：按照電動機的銘牌參數(shù)輸入。（2）數(shù)字輸入（參數(shù)組10）參數(shù)1010110113（數(shù)字輸入接口預置參數(shù)）：按照變頻器外圍接口定義進行設置，限于篇幅，不再贅述。（3）限幅（參數(shù)組20）Domain: dnf輔助 More:d2gs2f參數(shù)20101（運行范圍的最小速度）：-1000 r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)20102（運行范圍的最大速度）：1000r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)20103（最大輸出電流）：120%；參數(shù)20104（最大正輸出轉(zhuǎn)矩）：150%；參數(shù)20104（最大負輸出轉(zhuǎn)矩）：-1

8、50%；參數(shù)20106（直流過壓控制器參數(shù)）：OFF（本例中ACC800變頻器使用了動力制動方式，此參數(shù)設為OFF后，制動斬波器才能投入運行）。（4）脈沖編碼器（參數(shù)組50）參數(shù)50101（脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）：1024；參數(shù)50103（編碼器故障）：FAULT（如果監(jiān)測到編碼器故障或編碼器通信失敗時，ACC800變頻器顯示故障并停機）。（5）提升機（參數(shù)組64）參數(shù)64101（獨立運行選擇）：FALSE；64103（高速值1）：98%；64106（給定曲線形狀）：0（直線）；參數(shù)64110（控制類型選擇）：FBJOYSTICK.（6）邏輯處理器（參數(shù)組65）參數(shù)65101（電動機停止后是否

9、保持電動機磁場選擇）：TRUE（在電動機停止后保持電動機磁場為"ON"）；參數(shù)65102（ON脈沖延時時間）：5s.（7）轉(zhuǎn)矩驗證（參數(shù)組66）參數(shù)66101（轉(zhuǎn)矩驗證選擇）：TRUE（轉(zhuǎn)矩驗證有效，要求有脈沖編碼器）。（8）機械制動控制（參數(shù)組67）參數(shù)67106（相對零速值）：3%；參數(shù)67109（起動轉(zhuǎn)矩選擇器）：AUTOTQMEM（自動轉(zhuǎn)矩記憶）。（9）給定處理器（參數(shù)組69）參數(shù)69101（對應100%給定設置電動機速度）：980r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)69102（正向加速時間）：3s；參數(shù)69103（反向加速時間）：3s；參數(shù)69104（正

10、向減速時間）：3s；參數(shù)69105（反向減速時間）：3s.（10）可選模塊（參數(shù)組98）參數(shù)98101（脈沖編碼器模塊選擇）：RTAC2 SLOT2（脈沖編碼器模塊類型為RTAC，連接接口為傳動控制單元的選件插槽2）；參數(shù)98102（通信模塊選擇）：FIELDBUS（激活外部串行通信并選擇外部串行通信接口）。5試運行變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設定完后，就可進行系統(tǒng)試運行。應先在變頻器操作盤上進行速度給定，手動起動變頻器，讓起升電動機空載運轉(zhuǎn)一段時間，并且這種試運行可以在5，10，15，20，25，35，50Hz等幾個頻率點進行，注意觀察電動機的運轉(zhuǎn)方向是否正確，轉(zhuǎn)速是否平穩(wěn)，顯示數(shù)據(jù)是否正確，溫升

11、是否正常，加減速是否平滑等。單臺變頻器試運行正確后，再接入脈沖編碼器模塊進行速度閉環(huán)調(diào)試，試運行起升機構變頻調(diào)速系統(tǒng)。起升變頻器手動運行無誤后，就可接入PLC控制系統(tǒng)，進行整機聯(lián)調(diào)。整機聯(lián)調(diào)中，關鍵要注意觀察變頻器起動與停止時，主起升機械制動器的開閉反應是否快速，鉤頭是否存在溜鉤現(xiàn)象等。其次還要注意觀察鉤頭在下降過程中，制動單元和制動電阻投運后，其溫升是否正常。在重物下放過程中，重物的勢能會釋放出來，此時電動機將工作在反向發(fā)電狀態(tài)。在鉤頭下降過程中，電動機通過逆變橋向變頻器中間直流回路充電，當直流回路的電壓高于變頻器系統(tǒng)設定值時，變頻器控制斬波器接通，進而使制動電阻投入工作，以消耗變頻器中間直

12、流回路多余的電能，確保變頻器中間直流回路電壓穩(wěn)定在一個特定電壓范圍內(nèi)。隨著起重機的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)控制技術難以滿足起重機越來越高的調(diào)速和控制要求。在電子技術飛速發(fā)展的今天，起重機與電子技術的結(jié)合越來越緊密，如采用PLC取代繼電器進行邏輯控制，交流變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式等。在選型對比基礎上，本項目電動機調(diào)速裝置采用了先進的變頻調(diào)速方案，變頻器最終選型為ABB變頻器ACS800，電動機選用專用鼠籠變頻電動機。在眾多交流變頻調(diào)速裝置中，ABB變頻器以其性能的穩(wěn)定性，選件擴展功能的豐富性，編程環(huán)境的靈活性，力矩特性的優(yōu)良性和在不同場合使用的適應性，使其在變頻器高端市場中占有相當

13、重要的地位。ACC800變頻器是ACS800系列中具有提升機應用程序的重要一員，它在全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術，例如起動向?qū)?，自定義編程，DTC控制等，非常適合作為起重機主起升變頻器使用。本文結(jié)合南京梅山冶金發(fā)展有限公司設備分公司所負責維修管理的寶鋼集團梅鋼冷軋廠27臺橋式起重機變頻調(diào)速控制系統(tǒng)，詳細介紹ACC800變頻器在起重機主起升中的應用。1DTC控制技術DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制，DirectTorqueControl）技術是ACS800變頻器的核心技術，是交流傳動系統(tǒng)的高性能控制方法之一，它具有控制算法簡單，易于數(shù)字化實現(xiàn)和魯棒性強的特點。其實質(zhì)是利用空間矢量坐標的概念，在定子坐

14、標系下建立異步電動機空間矢量數(shù)學模型，通過測量三相定子電壓和電流（或中間直流電壓）直接計算電動機轉(zhuǎn)矩和磁鏈的實際值，并與給定轉(zhuǎn)矩和磁鏈進行比較，開關邏輯單元根據(jù)磁鏈比較器和轉(zhuǎn)矩比較器的輸出選擇合適的逆變器電壓矢量（開關狀態(tài)）。定子給定磁鏈和對應的電磁轉(zhuǎn)矩的實際值，可以用定子電壓和電流測量值直接計算得到。在計算中，只需要一個電動機參數(shù)定子電阻，這一點和幾乎需要全部電動機參數(shù)的直接轉(zhuǎn)子磁鏈定向控制（矢量控制）形成了鮮明對比，極大地減輕了微處理器的計算負擔，提高了運算速度。直接轉(zhuǎn)矩控制結(jié)構較為簡單，可以實現(xiàn)快速的轉(zhuǎn)矩響應（不大于5ms）。2防止溜鉤控制作為起重用變頻系統(tǒng)，其控制重點之一是在電動機處于

15、回饋制動狀態(tài)下系統(tǒng)的可靠性（"回饋"是指電動機處于發(fā)電狀態(tài)時通過逆變橋向變頻器中間直流回路注入電能），尤其需要引起注意的是主起升機構的防止溜鉤控制。溜鉤是指在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止狀態(tài)出現(xiàn)下滑的現(xiàn)象。電磁制動器從通電到斷電（或從斷電到通電）需要的時間大約為016s（視起重機型號和起重量大小而定），變頻器如過早停止輸出，將容易出現(xiàn)溜鉤，因此變頻器必須避免在電磁制動器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免發(fā)生"過流"而跳閘的誤動作。防止溜鉤現(xiàn)象的方法是利用變頻器零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流制動勵磁功能。零速全轉(zhuǎn)矩功能，即變頻器可以在速度為零的

16、狀態(tài)下，保持電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，從而保證起重設備在速度為零時，電動機能夠使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住為止，以防止溜鉤的發(fā)生。直流制動勵磁功能，即變頻器在起動之前自動進行直流強勵磁，使電動機有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，維持重物在空中的停止狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會發(fā)生溜鉤。3系統(tǒng)硬件配置梅鋼冷軋橋式起重機上應用的ACS800變頻器調(diào)速系統(tǒng)由電控柜，大小車變頻控制柜，起升變頻控制柜，聯(lián)動控制臺等組成。主起升采用1臺ACC800變頻器驅(qū)動1臺起升專用電動機，并在電動機軸尾安裝1臺速度編碼器，做速度反饋用。該速度編碼器用來提高低速狀態(tài)下電動機模型的速度和轉(zhuǎn)矩計算精度，保證轉(zhuǎn)矩驗證，開

17、閉閘等功能。主起升采用斬波器加制動電阻實現(xiàn)制動功能，斬波器與制動電阻串聯(lián)后接入變頻器整橋與逆變橋之間的直流回路中，并由變頻器根據(jù)中間直流回路電壓高低控制斬波器接通與否（即控制制動電阻的投切）。變頻器配有RPBA201接口卡件，提供標準的Profibus2DP現(xiàn)場總線接口，用于與PLC通信控制，并接收PLC發(fā)來的開，停車命令和速度設定值等控制參數(shù)。4起升變頻器功能參數(shù)設置ABB變頻器在出廠時，所有功能碼都已設置。但是，起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠設定值不盡相同，所以，ACC800中一些重要的功能參數(shù)需要重新設定。（1）起動數(shù)據(jù)（參數(shù)組99）參數(shù)99102（用于提升類傳動，但不包括主/從總線通信

18、功能）：CRANE；參數(shù)99104（電動機控制模式）：DTC（直接轉(zhuǎn)矩控制）；參數(shù)9910599109（電動機常規(guī)銘牌參數(shù)）：按照電動機的銘牌參數(shù)輸入。（2）數(shù)字輸入（參數(shù)組10）參數(shù)1010110113（數(shù)字輸入接口預置參數(shù)）：按照變頻器外圍接口定義進行設置，限于篇幅，不再贅述。（3）限幅（參數(shù)組20）參數(shù)20101（運行范圍的最小速度）：-1000 r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)20102（運行范圍的最大速度）：1000r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)20103（最大輸出電流）：120%；參數(shù)20104（最大正輸出轉(zhuǎn)矩）：150%；參數(shù)20104（最大負輸出轉(zhuǎn)

19、矩）：-150%；參數(shù)20106（直流過壓控制器參數(shù)）：OFF（本例中ACC800變頻器使用了動力制動方式，此參數(shù)設為OFF后，制動斬波器才能投入運行）。（4）脈沖編碼器（參數(shù)組50）參數(shù)50101（脈沖編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)）：1024；參數(shù)50103（編碼器故障）：FAULT（如果監(jiān)測到編碼器故障或編碼器通信失敗時，ACC800變頻器顯示故障并停機）。（5）提升機（參數(shù)組64）參數(shù)64101（獨立運行選擇）：FALSE；64103（高速值1）：98%；64106（給定曲線形狀）：0（直線）；參數(shù)64110（控制類型選擇）：FBJOYSTICK.（6）邏輯處理器（參數(shù)組65）參數(shù)65101（電動機停止后是否保持電動機磁場選擇）：TRUE（在電動機停止后保持電動機磁場為"ON"）；參數(shù)65102（ON脈沖延時時間）：5s.（7）轉(zhuǎn)矩驗證（參數(shù)組66）參數(shù)66101（轉(zhuǎn)矩驗證選擇）：TRUE（轉(zhuǎn)矩驗證有效，要求有脈沖編碼器）。（8）機械制動控制（參數(shù)組67）參數(shù)67106（相對零速值）：3%；參數(shù)67109（起動轉(zhuǎn)矩選擇器）：AUTOTQMEM（自動轉(zhuǎn)矩記憶）。（9）給定處理器（參數(shù)組69）參數(shù)69101（對應100%給定設置電動機速度）：980r/min（根據(jù)實際電動機參數(shù)進行設定）；參數(shù)69102（正向加速時間）：3s