变频调速技术在船舶起重机械中的应用
日期：2010-8-7 13:57:13 点击：
来源：中国工控网
作者：
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摘 要：本文介绍具有位能性负载特点的船舶起重机械电气传动,采用交流变频调速技术节能的应用及发展方向。
关键词：交流调速 变频器 船舶起重机械
船舶起重机械电气传动系统为了提高装卸的工作效率，要求起重机械在起、制动频繁的情况下运行平稳、冲击小、调速范围大。由于船舶起重机械负载均为位能特性，减速或下放货物时其电动机处于再发电制动状态，传动系统中所储存的机械能，若能回馈给船舶电网可达到节能的目的。
我国在港口起重机中已经采用了全变频调速技术（起升、变幅、旋转、行走机构均用变频调速）,近几年，新吊车大部分采用变频调速器，旧吊机也纷纷进行这一技术改造。而在船用起重机上的应用，应该引起同行们的重视。本文就变频调速系统在船舶起重机械上节能的应用谈几点看法。
PWM控制的变频调速技术发展
1964年西德的A.SHonong首先提出了脉宽调制的思想，即把通讯系统的调制技术应用于交流电力拖动，它解决了常规六阶段波逆变器中所存在的问题，目前在交流变频器中广泛采用这种技术。其基本原理就是用等幅、不等宽、按一定期间排列的脉冲波来逼近一条正弦曲线使之产生的电压、电流波接近于正弦波，从而大大消除了谐波分量，提高了功率因数，大大简化了控制线路。得到极好的调速性能，原理见图1。
图1 PWM变频器基本结构
已有许多大规模集成全数字化专用芯片用来产生PWM控制信号，调频范围为0~200HZ。由它们生成的SPWM波的最大开关频率较低，一般在1KHZ以下，所以适于以GTR或GTO为开关器件的变频器。而更新颖的功能更强的具有可编程器件的专用集成芯片已经问世,可以使逆变器输出频率高于2600HZ，开关频率可大于20KHZ，可产生6 SPWM控制信号，适用于IGBT变频器。使用了专用芯片可简化SPWM生成电路，降低系统成本、提高系统可靠性。
船舶起重机械变频调速系统的能量回馈
船舶起重机在下放重物和减速时，异步电动机处于再生发电制动状态，必须考虑再生能量的处理方法：（1）耗散到“制动电阻”中（泵升电路的制动单元）；（2）用并联直流电路向多台变频器供电；（3）使电能回馈到电网。目前港口起重机还多采用方法（1）或方法（2），但从节能观点来看应该采用方法（3）。有两种处理电能回馈方法：
（a）双变频能量回馈调速：系统如图2所示。当电动机处于回馈制动状态时，所产生的能量经过变频器Ⅱ的逆变侧的续流二极管整流为直流，并对滤波电容进行充电，直流电通过直流母线送到变频器Ⅰ，逆变为三相交流电回馈给电网。
图2 双变频能量回馈调速系统
（b）采用功率晶体管IGBT模块组成有源逆变器反并联在变频器的整流侧，如图3所示。当重物下放减速时,变频器处在降频状态，交流电动机的再生能量给变频器中间直流环节的储能电容Cd充电，使电容两端电压升高，超过电网线电压值后，整流桥反向阻断，由专用微处理芯片（DSP）TM9320C240来启动有源逆变装置，将再生能量反馈给电网。有源逆变器在SPWM控制下，能保证馈入电网的电量与电网上电压同频同相的正弦波，使系统功率因数接近1，此方法在成本上低于双变频器系统。
图3 有源逆变器能量回馈系统
变频调速系统采用的新技术
1.微处理器的控制技术：目前变频调速技术已普遍采用微机控制技术，特别向矢量控制的变频器没有计算机控制根本无法实现。微机控制可以按人们的设计思想和事先描述的数字模型快速地计算出结果，通过综合比较作出最优选择，并可对系统进行诊断和故障报警。16位、32位的DSP数字处理器具有高速计算能力，可将采样和复杂信号处理与控制为一体单片机。传统算法（如PID、前馈控制）和先进控制算法（如状态反馈、自适应、模糊及神经元控制）均能从DSP的能力中受益。
DSP信号处理能力还可以减少传感器的数量（特别位置、速度和磁通传感器）。这是因为可从电气变量中估算出来传感器提供的系统变量。在自适应控制中，系统参数和状态变化通过状态观测的估算可有效地利用DSP来实现。由于DSP的运算速度高，可有效地用于神经元网络和模糊逻辑化的运动控制系统。Texas仪器公司提供了一种专为运动控制系统开发的16位MS320C14，32位TMS320C40控制器DSP。
2.人工智能控制技术：近来，现代控制理论在交流调速中应用发展很快，如自适应控制（磁通自适应、参数自适应等）、状态观测器（磁通观测器、力矩观测器、负荷扰动观测器等）、滑模变结构控制，这些都是基于现代理论控制策略的。基于人工智能控制思想的控制策略有控制、神经元网络、专家系统等，都已开始进入电力电子控制领域。以具有神经网络的电流控制PWM交流异步电动机调速方案为例，见图4。
图4 基于神经网络的PWM控制
网络通过比例系数K获得相电流误差信号，并产生PWM逻辑信号用以驱动逆变器开关之中。当达到阈值时，S型函数箍位输出0或1。输出信号（为0和1脉冲列）有8种可能状态，对应于逆变8个状态。比如，如果某相中的电流达到阈值 0.01,则对应输出为1，开通上桥臂的管子。另一方面，若误差为-0.01，输出则为0，下桥臂管子导通。网络用这8种输入——输出样本类型进行训练。网络将被训练成产生一个具有一组预定电流误差的最优PWM波形。
结束语
在港口和船舶起重机的电气传动中，交流变频调速技术应用已越来越广泛。目前国内使用的变频器主要采用外国进口的产品。国内变频器整机技术还没有形成一定的生产规模，特别变频器产品所用半导体功率件的制造还很薄弱。因此，实现产品国产化，开发清洁电能的变频器，实现高水平的智能控制是我们的努力方向。
［摘要］：本文介绍具有位能性负载特点的船舶起重机械电气传动,采用交流变频调速技术节能的应用及发展方向。
［关键词］：交流调速 变频器 船舶起重机械
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摘 要：本文介绍具有位能性负载特点的船舶起重机械电气传动,采用交流变频调速技术节能的应用及发展方向。
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船舶起重机械电气传动系统为了提高装卸的工作效率，要求起重机械在起、制动频繁的情况下运行平稳、冲击小、调速范围大。由于船舶起重机械负载均为位能特性，减速或下放货物时其电动机处于再发电制动状态，传动系统中所储存的机械能，若能回馈给船舶电网可达到节能的目的。
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我国在港口起重机中已经采用了全变频调速技术（起升、变幅、旋转、行走机构均用变频调速）,近几年，新吊车大部分采用变频调速器，旧吊机也纷纷进行这一技术改造。而在船用起重机上的应用，应该引起同行们的重视。本文就变频调速系统在船舶起重机械上节能的应用谈几点看法。
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PWM控制的变频调速技术发展
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1964年西德的A.SHonong首先提出了脉宽调制的思想，即把通讯系统的调制技术应用于交流电力拖动，它解决了常规六阶段波逆变器中所存在的问题，目前在交流变频器中广泛采用这种技术。其基本原理就是用等幅、不等宽、按一定期间排列的脉冲波来逼近一条正弦曲线使之产生的电压、电流波接近于正弦波，从而大大消除了谐波分量，提高了功率因数，大大简化了控制线路。得到极好的调速性能，原理见图1。
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图1 PWM变频器基本结构
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已有许多大规模集成全数字化专用芯片用来产生PWM控制信号，调频范围为0~200HZ。由它们生成的SPWM波的最大开关频率较低，一般在1KHZ以下，所以适于以GTR或GTO为开关器件的变频器。而更新颖的功能更强的具有可编程器件的专用集成芯片已经问世,可以使逆变器输出频率高于2600HZ，开关频率可大于20KHZ，可产生6 SPWM控制信号，适用于IGBT变频器。使用了专用芯片可简化SPWM生成电路，降低系统成本、提高系统可靠性。
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船舶起重机械变频调速系统的能量回馈
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船舶起重机在下放重物和减速时，异步电动机处于再生发电制动状态，必须考虑再生能量的处理方法：（1）耗散到“制动电阻”中（泵升电路的制动单元）；（2）用并联直流电路向多台变频器供电；（3）使电能回馈到电网。目前港口起重机还多采用方法（1）或方法（2），但从节能观点来看应该采用方法（3）。有两种处理电能回馈方法：
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（a）双变频能量回馈调速：系统如图2所示。当电动机处于回馈制动状态时，所产生的能量经过变频器Ⅱ的逆变侧的续流二极管整流为直流，并对滤波电容进行充电，直流电通过直流母线送到变频器Ⅰ，逆变为三相交流电回馈给电网。
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图2 双变频能量回馈调速系统
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（b）采用功率晶体管IGBT模块组成有源逆变器反并联在变频器的整流侧，如图3所示。当重物下放减速时,变频器处在降频状态，交流电动机的再生能量给变频器中间直流环节的储能电容Cd充电，使电容两端电压升高，超过电网线电压值后，整流桥反向阻断，由专用微处理芯片（DSP）TM9320C240来启动有源逆变装置，将再生能量反馈给电网。有源逆变器在SPWM控制下，能保证馈入电网的电量与电网上电压同频同相的正弦波，使系统功率因数接近1，此方法在成本上低于双变频器系统。
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图3 有源逆变器能量回馈系统
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DSP信号处理能力还可以减少传感器的数量（特别位置、速度和磁通传感器）。这是因为可从电气变量中估算出来传感器提供的系统变量。在自适应控制中，系统参数和状态变化通过状态观测的估算可有效地利用DSP来实现。由于DSP的运算速度高，可有效地用于神经元网络和模糊逻辑化的运动控制系统。Texas仪器公司提供了一种专为运动控制系统开发的16位MS320C14，32位TMS320C40控制器DSP。
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2.人工智能控制技术：近来，现代控制理论在交流调速中应用发展很快，如自适应控制（磁通自适应、参数自适应等）、状态观测器（磁通观测器、力矩观测器、负荷扰动观测器等）、滑模变结构控制，这些都是基于现代理论控制策略的。基于人工智能控制思想的控制策略有控制、神经元网络、专家系统等，都已开始进入电力电子控制领域。以具有神经网络的电流控制PWM交流异步电动机调速方案为例，见图4。
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图4 基于神经网络的PWM控制
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网络通过比例系数K获得相电流误差信号，并产生PWM逻辑信号用以驱动逆变器开关之中。当达到阈值时，S型函数箍位输出0或1。输出信号（为0和1脉冲列）有8种可能状态，对应于逆变8个状态。比如，如果某相中的电流达到阈值 0.01,则对应输出为1，开通上桥臂的管子。另一方面，若误差为-0.01，输出则为0，下桥臂管子导通。网络用这8种输入——输出样本类型进行训练。网络将被训练成产生一个具有一组预定电流误差的最优PWM波形。
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在港口和船舶起重机的电气传动中，交流变频调速技术应用已越来越广泛。目前国内使用的变频器主要采用外国进口的产品。国内变频器整机技术还没有形成一定的生产规模，特别变频器产品所用半导体功率件的制造还很薄弱。因此，实现产品国产化，开发清洁电能的变频器，实现高水平的智能控制是我们的努力方向。
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