起重機電機新型電力電子調(diào)速方法對比分析

周封，邢方勃，劉志剛，王丙全，劉健，王晨光

（1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031）

起重機電機新型電力電子調(diào)速方法對比分析

周封1，邢方勃1，劉志剛2，王丙全1，劉健1，王晨光1

（1.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.中國海誠工程科技股份有限公司，上海 200031）

針對現(xiàn)代起重機行業(yè)中電機調(diào)速發(fā)展滯后的問題，研究了10種異步電機調(diào)速方法，重新劃分為3大類并進(jìn)行了性能分析：新型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)化了有級調(diào)速，部分解決了能耗大等問題；新型串級調(diào)速針對功率因數(shù)低、諧波大等問題優(yōu)勢明顯；改進(jìn)型變頻調(diào)速性能極佳，但造價高、可靠性差。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)本行業(yè)需求從調(diào)速性能等幾個方面綜合對比分析，提出基于IGBT斬波和PWM整流器的外饋式串級調(diào)速系統(tǒng)具有更好的工程實用價值。

起重機；絕緣柵雙極型晶體管；串級調(diào)速；脈沖寬度調(diào)制；節(jié)能

在起重機電機調(diào)速系統(tǒng)中，起升重量、速度和效率處于嚴(yán)重失衡狀態(tài)，低效運行現(xiàn)象明顯。

隨著以IGBT為代表的電力電子器件在交流調(diào)速中的應(yīng)用，使得調(diào)速性能、經(jīng)濟性、可靠性、維護(hù)性大為改觀，但在起重機行業(yè)中的應(yīng)用仍然發(fā)展緩慢。因此，起重機電機調(diào)速系統(tǒng)的研究改善具有重大的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景。

1　滿足起重機工作特性的電機調(diào)速系統(tǒng)的改善及分類

起重機是指在一定范圍內(nèi)垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械，其工作特點是做間歇性運動，工作重復(fù)頻繁，常輕載或空載下運行。因此，對電氣拖動系統(tǒng)的要求如下：

1）帶載啟動要求啟動轉(zhuǎn)矩大、電流小，而為避免機械沖擊過大，啟動轉(zhuǎn)矩不能過大；

2）調(diào)速性能要求有一定的升降速度，調(diào)速范圍要大，以滿足各種工況的吊裝要求；

3）在起升機構(gòu)的啟動和停車過程中盡量避免擺動、搖晃、抖動，有效保證電機的機械特性；

4）應(yīng)具有較高的機械強度和過載能力，以適應(yīng)機械振動或沖擊［1］。

常見的異步電機調(diào)速方法見圖1。

圖1　異步電機調(diào)速方式分類圖Fig.1　Classification of asynchronous motor speed control mode

根據(jù)起重機的工作特點，目前多采用繞線電機轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式。其具有啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小，安裝成本低等優(yōu)勢，但此方法能耗大，機械特性軟，有級調(diào)速等劣勢更為突出。

在充分了解國內(nèi)外對起重機電機調(diào)速的研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)上，從起重機的安全性能、工作效率、可操作性3個基準(zhǔn)點出發(fā)，結(jié)合圖1中可應(yīng)用的調(diào)速方法并進(jìn)行改進(jìn)，可將起重機電機調(diào)速方式進(jìn)行分類，見圖2。

圖2　起重機電機調(diào)速方式分類圖Fig.2　Classification of crane motor speed control mode

2　新型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

此類調(diào)速方式在保有轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點的基礎(chǔ)上，盡可能克服能耗大、機械特性軟、有級調(diào)速等缺點，在其調(diào)速范圍內(nèi)，滿足動靜態(tài)要求，實現(xiàn)平滑調(diào)速，但其沒有徹底解決能耗問題，調(diào)速范圍有限，因此僅可作為一種過渡性方案。

2.1轉(zhuǎn)子IGBT電流斬波調(diào)速

該調(diào)速方式是利用三相整流橋和斬波電路替換原有的手工控制轉(zhuǎn)子電流調(diào)阻。斬波器的使用可實現(xiàn)閉環(huán)控制，有效克服了機械特性軟、響應(yīng)慢的問題，使得系統(tǒng)動靜態(tài)特性明顯提高。

隨著電力電子器件的發(fā)展，IGBT開始成為中小型繞線電機轉(zhuǎn)子電流斬波系統(tǒng)中的斬波元件。作為全控型器件，其斬波頻率高，可以省去龐大的平波電抗器和強迫換流裝置，極大簡化了電路主回路［2］，如圖3所示。

圖3　繞線式異步電機斬波電流調(diào)速電路Fig.3　Chopper current speed regulation circuit for wound rotor asynchronous motor

該調(diào)速方式在保留調(diào)阻調(diào)速優(yōu)點的同時，實現(xiàn)了無級調(diào)速，且閉環(huán)控制使靜差度大大減小，在低速輕載的情況下，適當(dāng)與定子調(diào)壓相配合，可增大調(diào)速范圍、滿足不同的調(diào)速要求。但其節(jié)能的目標(biāo)沒有達(dá)到，只是以犧牲調(diào)速范圍為代價的權(quán)宜之計，在輕載低速情況下，轉(zhuǎn)差功率消耗過于大，能耗問題始終是制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題。

2.2轉(zhuǎn)子晶閘管調(diào)速

該調(diào)速方式是將三相半控變流裝置直接串入電機轉(zhuǎn)子回路，利用控制器控制晶閘管的導(dǎo)通角，改變轉(zhuǎn)子回路的有效電流，等效于改變轉(zhuǎn)子外接電阻大小，實現(xiàn)調(diào)速［3］。

該調(diào)速方式成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，啟動沖擊轉(zhuǎn)矩脈動相對較小，效率相對較高，可實現(xiàn)一定調(diào)速范圍下的無級調(diào)速；但是，半控器件加大了電路的復(fù)雜性，能耗問題和調(diào)速范圍依然互相制約，進(jìn)而影響其應(yīng)用范圍。

2.3晶閘管調(diào)壓結(jié)合投切電阻調(diào)速

該調(diào)速方式是將2個晶閘管反并聯(lián)作為交流調(diào)壓器件，采用相控方式或通斷方式的控制策略串聯(lián)到電源和負(fù)載之間，通過改變電源電壓的有效值進(jìn)行調(diào)壓。晶閘管調(diào)壓的關(guān)斷過程是在觸發(fā)信號消失后負(fù)載電流逐漸變?yōu)?時自動進(jìn)行的，無需額外的控制電路，故電路簡單，節(jié)省空間，節(jié)約成本，調(diào)速性能優(yōu)異，容量足夠應(yīng)用于大型起重機調(diào)速［4］。

轉(zhuǎn)子串電阻可增大調(diào)速范圍，但機械特性變軟、輸出轉(zhuǎn)矩有限、負(fù)載大時無法高速運行，故加速時，需要切電阻提速；減速時，為避免電流過大而損壞電機，則要投電阻，即加速的逆過程。

因此，低速時轉(zhuǎn)差損耗較大，電機發(fā)熱，效率較低。由于晶閘管采用不完整正弦波形，易產(chǎn)生高次諧波，影響電機輸出功率；調(diào)速范圍有限，時常降低電機的最低轉(zhuǎn)矩。故其應(yīng)用亦受限，僅可針對部分負(fù)載。

3　新型串級調(diào)速

該類調(diào)速方式是指轉(zhuǎn)子回路通過串入可調(diào)附加電勢來改變電機轉(zhuǎn)差率，以達(dá)到調(diào)速的目的。其中大部分轉(zhuǎn)差功率被附加電勢吸收，其他轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)。

由于在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行，電壓等級相對較低，功率也隨調(diào)速范圍減小而減小，具有較好的經(jīng)濟性，可實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，適用于高壓、大容量、調(diào)速范圍窄的拖動系統(tǒng)。

其不足之處為：啟動設(shè)備復(fù)雜，最大輸出轉(zhuǎn)矩有限，功率因數(shù)低，諧波含量高，電抗器和逆變器的損耗大，可靠性較差，易發(fā)生逆變顛覆［5］。

3.1外饋式IGBT斬波串級調(diào)速

傳統(tǒng)的外饋式IGBT斬波串級調(diào)速為轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速［6］恒壓變頻），而新型的系統(tǒng)在整流器與逆變器之間加入升壓斬波環(huán)節(jié)。由于逆變器無需調(diào)節(jié)等效串入轉(zhuǎn)子電勢，故其通常工作在最小逆變角，使逆變器從電網(wǎng)吸收無功功率為最小值，等效電勢的大小通過調(diào)節(jié)升壓斬波器占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。針對系統(tǒng)低速時功率因數(shù)較低的問題，可采用就地?zé)o功補償?shù)姆椒ǎ⒙?lián)電容器固定補償［7］；針對系統(tǒng)的諧波問題，可采用LC低通濾波器。

此方法雖然功率因數(shù)相對較高，各電氣量總諧波畸變率相對較低，但其僅可作為被動的治理方案，并未從根源上解決功率因數(shù)和諧波的問題。

采用三相電壓型PWM整流器，可根據(jù)交流側(cè)的電流控制，實現(xiàn)4象限運行。在轉(zhuǎn)子側(cè)并入調(diào)速裝置前，其工作在整流狀態(tài)，附加繞組起到逆變電源的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)子并入調(diào)速裝置時，其工作在有源逆變狀態(tài)下，將能量反饋給附加繞組，且能夠工作在感性和容性的兩種狀態(tài)。

利用三相PWM整流器代替原有系統(tǒng)的有源逆變器，實現(xiàn)輸出電壓和電流同相位，通過調(diào)整功率因數(shù)來消除諧波，可從根本上解決系統(tǒng)功率因數(shù)和諧波的問題［8］，并向系統(tǒng)提供感性和容性兩種補償，有效解決了設(shè)備多、逆變顛覆等問題。系統(tǒng)見圖4。

圖4　基于IGBT斬波和PWM整流器的外饋式斬波串級調(diào)速系統(tǒng)Fig.4　External feedback cascade speed control system based on IGBT chopper and PWM rectifier

該調(diào)速方式兼顧了IGBT斬波與PWM整流器的優(yōu)勢，在滿足起重機電機調(diào)速性能的前提下，從一次性投資、功率因數(shù)、諧波成份、可靠程度、維護(hù)操作難度、功能利用率等多項指標(biāo)綜合分析，其研發(fā)意義重大，應(yīng)用潛力巨大。

3.2外饋式IGCT斬波串級調(diào)速

此調(diào)速方式相對于外饋式IGBT串級調(diào)速差別僅在于斬波電路采用的全控器件由IGBT改換為IGCT［9］。

IGCT既克服了GTO關(guān)斷時間長、關(guān)斷過程非線性、需要復(fù)雜的緩沖電路的缺點，又克服了IGBT單管面積有限，以及在高電壓，大電流的情況下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性低的缺點，它的應(yīng)用使變流裝置在開關(guān)速度、功率、可靠性、效率、重量、體積、成本等方面都取得了巨大的進(jìn)展。目前正處于研發(fā)階段，考慮到IGCT成本投入大，系統(tǒng)整體造價較高。

3.3內(nèi)饋式高頻斬波串級調(diào)速

內(nèi)饋式串級調(diào)速［10］是基于內(nèi)饋式電機和串級調(diào)速的一種調(diào)速方法。所謂內(nèi)饋式電機，就是在定子繞組中加入1套輔助電源繞組，與定子繞組同槽布線，稱為調(diào)劑繞組，并向逆變器提供電源，同時接受轉(zhuǎn)子反饋的能量。把變壓器和電機合為一體，有效簡化了電路，同時由于定子繞組及短距線圈的分布，抑制了諧波［11］。

內(nèi)饋式串級調(diào)速歷經(jīng)了3個遞進(jìn)式的發(fā)展階段，即內(nèi)饋式串級調(diào)速（含SC），內(nèi)饋式斬波串級調(diào)速和基于PWM整流器內(nèi)饋式斬波串級調(diào)速。

1）內(nèi)饋式串級調(diào)速（含SC）較傳統(tǒng)串級調(diào)速省去了有源逆變中的高壓開關(guān)柜及高壓變壓器，簡化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)約了系統(tǒng)成本。

2）內(nèi)饋式斬波串級調(diào)速增加了斬波控制，有效降低了系統(tǒng)的無功功率，防止逆變顛覆效果更為顯著。

3）基于PWM整流器的內(nèi)饋式斬波串級調(diào)速系統(tǒng)在交流側(cè)增加了PWM整理器，其總體調(diào)速性能與外饋式基本相同。

內(nèi)饋式高頻斬波串級調(diào)速系統(tǒng)（階段3）作為一種現(xiàn)代串級調(diào)速系統(tǒng)，在調(diào)速范圍及控制精度方面已經(jīng)可以滿足相應(yīng)要求，諧波及功率因數(shù)等問題也從根本上得到有效改善，系統(tǒng)更加簡單可靠，其綜合指標(biāo)足以媲美基于IGBT斬波和PWM整流器的外饋式串級調(diào)速系統(tǒng)。但美中不足的是，內(nèi)饋式電機投入使用的成本較大，應(yīng)用于以中小型電機為代表的起重機行業(yè)仍有待考察。

3.4基于DSP和IGBT變頻器的雙饋調(diào)速

雙饋調(diào)速囊括了傳統(tǒng)串級調(diào)速的功能，并實現(xiàn)了同步轉(zhuǎn)速雙向調(diào)速。即繞線式電機定子側(cè)接入50 Hz的工頻電源，轉(zhuǎn)子接入頻率、幅值、相位都可按要求調(diào)節(jié)的交流電源，也就是采用交-交或交-直-交變頻器給轉(zhuǎn)子繞組供電。此時轉(zhuǎn)子側(cè)外加電壓頻率與轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢頻率需保持一致。通過改變轉(zhuǎn)子外加電壓的幅值和相位，可實現(xiàn)雙饋調(diào)速，亦可調(diào)節(jié)定子側(cè)的功率因數(shù)，實現(xiàn)定子轉(zhuǎn)子功率傳遞［12］。

基于DSP和IGBT變頻器的雙饋調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與IGBT斬波串級調(diào)速系統(tǒng)類似，其勵磁可調(diào)量有勵磁幅值、勵磁頻率和勵磁相位［12］3種，技術(shù)優(yōu)勢明顯，變頻器功率小，功率因數(shù)高，調(diào)速范圍廣，可調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功無功，對電網(wǎng)的功率因數(shù)和穩(wěn)定性都有積極的作用，加之其不需要更換電機（與內(nèi)饋式串級調(diào)速相比），投資?。ê妥冾l調(diào)速相比），調(diào)速性能及能量指標(biāo)優(yōu)異。但動態(tài)性能指標(biāo)較差，尤其是在電網(wǎng)電壓波動時或者負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變時更為嚴(yán)重。

3.5基于PLC和通用變頻器的雙饋調(diào)速

該方式是在分析傳統(tǒng)DSP與IGBT變頻器諸多不足的基礎(chǔ)上，如DSP驅(qū)動不足、易受電磁干擾，IGBT易損壞、逆變諧波大，提出利用PLC和通用變頻器來代替DSP和IGBT，雖然提高了系統(tǒng)的調(diào)速性能，但其動態(tài)性能始終沒有改善。

4　改進(jìn)型變頻調(diào)速

變頻調(diào)速是利用定子頻率和轉(zhuǎn)速成正比，改變電動機定子電源的頻率，從而改變其同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法。具體是在工頻電源和定子繞組之間加入變頻設(shè)備，進(jìn)而通過變頻實現(xiàn)調(diào)速［13］。作為當(dāng)前交流調(diào)速的主流方向，變頻調(diào)速屬于轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速，具有調(diào)速范圍廣、可實現(xiàn)無極調(diào)速、機械特性硬、節(jié)能效果佳等諸多優(yōu)點，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，但系統(tǒng)成本、器件耐壓能力仍然是世界級難題。

4.1基于矢量控制的定子變頻調(diào)速

矢量控制技術(shù)［14］是基于電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型的一種高性能異步電機控制方式，其主電路的逆變電路采用IGBT和IGCT。數(shù)字化異步電動機矢量控制系統(tǒng)采用IPM模塊構(gòu)成主電路。通過控制電動機的轉(zhuǎn)矩電流和勵磁電流，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩和磁通的解耦，進(jìn)而完成對瞬時轉(zhuǎn)矩的控制。調(diào)速性能足以同直流電機媲美，并易于實現(xiàn)，相關(guān)參數(shù)敏感性控制方案也收到了良好的效果。

其主要優(yōu)點包括：調(diào)速范圍廣、精度高，節(jié)能效果好、機械特性硬、能實現(xiàn)穩(wěn)定的低速運行、準(zhǔn)確定位；啟、制動過程平穩(wěn)，在負(fù)載波動較大時，速度無明顯變化。

同時其缺點也不可忽視，針對200 kW以上的高壓大中功率變頻調(diào)速，元件耐壓能力低，調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，制造難度大。此外，變頻調(diào)速還存在造價高，維護(hù)困難等缺陷。其經(jīng)濟性、可靠性、維護(hù)性都有待考察，多數(shù)改造仍處在試用階段。

4.2定子短封轉(zhuǎn)子變頻供電調(diào)速

此方法是在分析過高壓時定子變頻遇到的元件耐壓、矢量控制、經(jīng)濟性和可靠性差等問題后，利用繞線式電機結(jié)構(gòu)特點，把電機定子短封，由轉(zhuǎn)子側(cè)通過變頻器供電，應(yīng)用目前可靠性較高、成本低廉的低壓通用型矢量變頻技術(shù)，實現(xiàn)高壓時繞線電機的無極調(diào)速，以達(dá)到和傳統(tǒng)異步電機相似的效果［15］。其具有良好的經(jīng)濟性，可靠性，但轉(zhuǎn)子變頻供電的缺點是轉(zhuǎn)矩略小。

5　新型串級調(diào)速和改進(jìn)型變頻調(diào)速對比分析

在對以上3大類調(diào)速方法分析比較后可知，新型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速始終沒有從根本上解決能耗問題，常需要犧牲調(diào)速范圍以達(dá)到節(jié)能的目的；作為一種傳統(tǒng)的、過渡型的調(diào)速方式，正逐漸被新型串級調(diào)速技術(shù)和改進(jìn)變頻調(diào)速技術(shù)取代。

改進(jìn)型變頻調(diào)速，以其優(yōu)異的調(diào)速性能和良好的節(jié)能效果在起重機行業(yè)得以應(yīng)用，但多為低壓小容量的籠型電機，轉(zhuǎn)矩性能、耐壓穩(wěn)定性等問題大大局限了其在高壓大容量場合的應(yīng)用，同時造價高也是制約其發(fā)展的核心問題。

新型串級調(diào)速，在傳統(tǒng)串級調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入IGBT斬波和PWM整流，有效解決了功率因數(shù)低、諧波大等問題?；贗GBT斬波和PWM整流器的內(nèi)饋式串級調(diào)速系統(tǒng)，其性能強勁，但其更換電機的難度仍然不可忽視。

與改進(jìn)型變頻調(diào)速相比較，新型串級調(diào)速裝置變流電壓低，變流功率小，高壓大功率場合更穩(wěn)定可靠；節(jié)電率優(yōu)勢明顯；調(diào)速精度可依靠電力電子器件實現(xiàn)進(jìn)一步提高；調(diào)速范圍在串電勢的情況下，雖然無法實現(xiàn)超同步調(diào)速，但仍可滿足0～平滑調(diào)節(jié)，滿足起重機工作要求。

下面是新型串級調(diào)速及改進(jìn)變頻調(diào)速的7種方法各項指標(biāo)的綜合比對，詳情見表1。

表1　7種基于新興技術(shù)的起重機用電機調(diào)速綜合對比分析Tab.1　Comprehensive comparative analysis of 7 kinds of speed control based on the emerging technology of crane motor

6　結(jié)論

本文通過對起重機電機調(diào)速方法進(jìn)行系統(tǒng)分類，詳細(xì)分析了10種方法的利弊，進(jìn)而對新型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、新型串級調(diào)速、改進(jìn)型變頻調(diào)速3大類調(diào)速方法綜合比對，淘汰了節(jié)能性差的轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和造價高、可靠性差的改進(jìn)型變頻調(diào)速，總結(jié)出新型串級調(diào)速在應(yīng)用新型電力電子器件及現(xiàn)代控制技術(shù)后，各項指標(biāo)優(yōu)勢獨特。

因此，在滿足起重機調(diào)速性能的前提下，綜合經(jīng)濟性、可靠性、維護(hù)性和實用性等因素，基于IGBT斬波和PWM整流器的外饋式新型串級調(diào)速系統(tǒng)為最優(yōu)方案，其現(xiàn)實應(yīng)用性最強，綜合性價比最高，為起重機電機調(diào)速在該領(lǐng)域的深入研究和推廣提供了依據(jù)，值得嘗試推廣與應(yīng)用。

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［12］楊華，梁慧冰.交流電動機轉(zhuǎn)子側(cè)變頻調(diào)速的原理與應(yīng)用［J］.電氣時代，2007，1（3）：100-102.

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［15］蔣永華，余愚，孫海山.變頻調(diào)速技術(shù)的行業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置，2007，（1）：11-14.

Comparative Analysis Among New Methods of Crane Motor Speed Control Based on Power Electronic

ZHOU Feng1，XING Fangbo1，LIU Zhigang2，WANG Bingquan1，LIU Jian1，WANG Chenguang1
（1.College of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，
Heilongjiang，China；2.China Haisum Engineering Co.，Ltd.，Shanghai 200031，China）

In view of problems existing in the lagging development of rotor speed control in modern crane industry，10 methods of speed control for asynchronous motor which could be reclassified into three major categories was studied，and performance analyses was conducted.New rotor-resistance speed control optimizes step speed regulation，partially solving high energy consumption and other problems.New cascade speed regulation has its unique advantages in the problems of low power factor，high harmonics and so on.The improved frequency control with excellent speed control performance has high cost and poor reliability.Furthermore，according to the requirements of the crane industry and the comprehensive comparison analysis of the speed performance and other aspects，developed an external feedback cascade speed control system based on IGBT chopper and PWM rectifier which has more practical value for engineering.

crane；insulated gate bipolar transistor；cascade control；pulse width modulation；energy saving

TM346

A

2015-06-30

修改稿日期：2016-02-29

黑龍江省科技計劃（攻關(guān)）項目（GZ11A213）；黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究面上項目（12541178）

周封（1970-），男，博士，教授，Email：f.zhou@163.com