帶能量回饋的橋式起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)節(jié)能研究

王志成

（石橫特鋼集團(tuán)有限公司煉鋼廠，山東 肥城 271612）

1 橋式起重機(jī)負(fù)載特點(diǎn)及節(jié)能比較

（1）橋式起重機(jī)的各類機(jī)構(gòu)都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。此外，不同機(jī)構(gòu)所具備的特點(diǎn)也各不相同，本文主要以橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)為主要研究對(duì)象進(jìn)行分析：提升機(jī)構(gòu)在空間中具有一定的電勢(shì)，因此該電勢(shì)具有負(fù)載的特性。此功能如下：舉起重物時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)克服了各種阻力并發(fā)揮了舉升功能，這是一種阻力載荷：當(dāng)載荷下降時(shí)，由于載荷本身具有根據(jù)重力加速度（勢(shì)能）下降的能力，因此，當(dāng)載荷重量大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，載荷的重量（勢(shì)能）相等。當(dāng)功率減小時(shí)，電動(dòng)機(jī)成為能量的接收者，因此這是一個(gè)功率負(fù)載。在傳動(dòng)的摩擦力過小時(shí)，仍然要利用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行下拉。

圖1 機(jī)械特性及轉(zhuǎn)子側(cè)能量圖的關(guān)系

圖2 轉(zhuǎn)子功率分配的比較

（2）橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)調(diào)速控制及節(jié)能比較：起重機(jī)各部分制動(dòng)系統(tǒng)的速度控制方法很多，其中最常用的串聯(lián)電阻是速度控制。如圖1 所示，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的自然特性是曲線。 當(dāng)負(fù)載扭矩為TL時(shí)，工作點(diǎn)為A點(diǎn)。轉(zhuǎn)子側(cè)的能量分配如圖2b所示，可以直觀的看出，采用變頻調(diào)速的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中的能量損耗是很小的。

當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子回路中串入電阻后，機(jī)械特性如圖2a中的曲線②所示。這時(shí)，機(jī)械特性變軟，在轉(zhuǎn)矩不變(仍為TL)的情況下，拖動(dòng)系統(tǒng)的工作點(diǎn)由A 點(diǎn)移至B 點(diǎn)，如圖2a 所示，轉(zhuǎn)速由n1,下降為n2。功率分配情況的變化如下：

（1）同步轉(zhuǎn)速n01未變，故電磁功率PM1 與未調(diào)速前相同。

（2）電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩為n2，輸出功率PL 將隨之下降。

（3）電機(jī)的功率損耗為：

功率分配如圖2a 右側(cè)所示?？梢钥闯?，電磁功率中功率損耗ΔP 的份額非常大。實(shí)際上，由于轉(zhuǎn)子外電阻中的能量耗散而導(dǎo)致速度降低（或機(jī)械功率降低），并且速度越低，機(jī)械特性越軟，電磁功率中的功率損耗份額就越大，這導(dǎo)致增加經(jīng)濟(jì)支出。上述問題可以看出，提升速度控制器選擇了變頻調(diào)速，并把電機(jī)再生能力反饋電網(wǎng)，將功率損耗ΔP 降低到最小值，是最經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式。

2 能量回饋單元設(shè)計(jì)

為了充分利用再生能源，基于SA4828 正弦波PWM 發(fā)生器的新型功率反饋控制系統(tǒng)用于將再生能量反饋到電網(wǎng)中，分析了該系統(tǒng)的組成和工作原理，并結(jié)合SA4828 的功能特點(diǎn)，提出了一種用于能量反饋控制系統(tǒng)的微處理器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。SA4828 的使用使整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，供電電流諧波低，并且在節(jié)能方面很明顯，具有較好的應(yīng)用前景。

2.1 變頻器帶能量回饋單元的結(jié)構(gòu)

在橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)用變頻器上設(shè)計(jì)了能量回饋單元，將再生能量回饋電網(wǎng)，如圖從而達(dá)到進(jìn)一步節(jié)電的目的；設(shè)計(jì)了基于AT89C51 和SA4828 芯片的能量回饋控制系統(tǒng)軟硬件，構(gòu)成能量回饋系統(tǒng)微處理器監(jiān)控單元。

圖3 變頻器帶能量回饋單元的基本原理

2.2 能量回饋系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的能量回饋系統(tǒng)（裝置）大多采用模擬控制方式,隨著微處理器技術(shù)，以MCS-51 系列單片機(jī)ATMEL89C1 為控制核心,結(jié)合少量模擬電路,完成回饋電流與電網(wǎng)同步,故障的光報(bào)警等功能；這使為網(wǎng)絡(luò)供電的過程更安全，更可靠，更直觀并且更易于操作。為了實(shí)現(xiàn)低電源沖擊，低電源電流諧波和高反饋效率的反饋過程功能，SA4828 三相正弦波PWM 發(fā)生器被用于實(shí)現(xiàn)SPWM 逆變器，調(diào)制控制電路。當(dāng)變頻器直流母線上的電壓升高到設(shè)定值時(shí)（970V）時(shí)滯回電路構(gòu)成的電壓檢測(cè)電路便高電平跳變到低電平，向單片機(jī)發(fā)出外部中斷指令。單片機(jī)接收到中斷指令而系統(tǒng)無異常時(shí)，便開始對(duì)高精度三相PWM 發(fā)生器SA4828然后檢查同步電路送來的同步信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)脈沖上升延時(shí)，開始對(duì)SA4828 寫控制字，而開始逆變。當(dāng)直流母線上的電壓降低到設(shè)定值（630V）時(shí)停止逆變。

2.3 能量回饋單元的關(guān)鍵控制部分

2.3.1 同步電路設(shè)計(jì)

同步是實(shí)現(xiàn)有源逆變器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。對(duì)于具有能量反饋的系統(tǒng)，所謂的同步是使電源電流和電源電壓的反饋以相同的頻率反轉(zhuǎn)，以獲得平均功率因數(shù)的反饋。異步反饋無法觸發(fā)任何操作。功率電流增加，導(dǎo)致電網(wǎng)污染在最壞的情況下，這將導(dǎo)致系統(tǒng)中的循環(huán)甚至損壞系統(tǒng)中的電源設(shè)備。與逆變器不同，電源的功率反饋頻率相對(duì)恒定并且在50Hz 附近波動(dòng)，因此SA4828功率頻率范圍（FRS）參數(shù)設(shè)置為60Hz，可以提高輸出頻率分辨率。 異步能量反饋分為相位異步和頻率異步。所開發(fā)的同步檢測(cè)電路，電力系統(tǒng)的交流信號(hào)由同步變壓器降壓，并使用由LN1339 比較器和外圍組件組成的過零檢測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將信號(hào)轉(zhuǎn)換為相同頻率的方波，然后將其提取，生成并發(fā)送到微處理器系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理，以獲得有關(guān)網(wǎng)絡(luò)相位和頻率的信息。逆變器的輸出頻率隨電網(wǎng)變化而變化，更改SA4828 的電網(wǎng)頻率（PFS）設(shè)置以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)同步的頻率。計(jì)數(shù)器重置操作SA4828（CR）觸發(fā)兩相SYWM 輸出，以實(shí)現(xiàn)使反饋相位與市電同步的目的。

2.3.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，高電流和高壓IGBT 已模塊化，并且市場(chǎng)上有許多類型的專用IGBT 驅(qū)動(dòng)模塊。它具有良好的性能，高可靠性和小尺寸。其內(nèi)部通用電路框圖如圖4 所示，根據(jù)額定參數(shù)和運(yùn)行條件選擇相應(yīng)容量和電壓等級(jí)的IGBT 模塊。

圖4 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路

2.3.3 三相SPWM 控制電路的設(shè)計(jì)

利用SA4828 就是這樣的一種專用于三相SPWM 信號(hào)發(fā)生和控制的集成芯片。它即可以單獨(dú)使用,也可以與大多數(shù)單片機(jī)接口。它不僅可以控制PWM 的頻率、方向和幅值,還可以控制PWM 波形輸出。它將取代目前流行的HEF4725、SLE4520、MA818 芯片,成為主流芯片。SA4828 是一種微電路，由英國(guó)MITEL 公司開發(fā)，專門用于生成和控制三相SPWM 信號(hào)。它使用28 個(gè)引腳，分為DIP 和SOIC 封裝。它可以連接到大多數(shù)單片機(jī)或單獨(dú)使用。該芯片的主要特性是：全數(shù)字控制；與Intel 和Motorola 單芯片微處理器兼容；載波頻率可以達(dá)到24 kHz；輸出波調(diào)制頻率范圍為0 ～4 kHz；調(diào)速分辨率為16 位；穩(wěn)壓分辨率為8 位；內(nèi)部ROM 處理3 種類型的附加信號(hào)；可以設(shè)置死區(qū)時(shí)間并消除最小脈沖寬；可以實(shí)現(xiàn)正向和反向控制；可以單獨(dú)調(diào)節(jié)各相輸出電壓的幅度，以適應(yīng)不平衡負(fù)載；同時(shí)會(huì)設(shè)置看門狗定時(shí)器。

利用通過三相SPWM 控制電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、同步電路設(shè)計(jì)完成能量回饋系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三相正弦波PWM 發(fā)生器芯片SA4828 實(shí)現(xiàn)逆變器的SPWM 調(diào)制控制電路，最終實(shí)現(xiàn)再生能量回饋電網(wǎng)的目的。

3 結(jié)束語

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，可靠性高，是理想的起重機(jī)交流無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。高架起重機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)后，整機(jī)性能大大提高，包括高效率，良好的功率因數(shù)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能等，在節(jié)能效果方面更是效果顯著，尤其是加入能量回饋單元能將重物下放中產(chǎn)生的再生能源回饋電網(wǎng)，從而節(jié)約了大量能源。利用SA4828 芯片實(shí)現(xiàn)三相正弦PWM 脈沖發(fā)生器可以提供高質(zhì)量、全數(shù)字化的三相脈寬調(diào)制波形,并能達(dá)到精確控制。帶有能量反饋裝置的橋式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)性能好，節(jié)能效果明顯。它特別適用于匹配和轉(zhuǎn)換家用水龍頭的電氣系統(tǒng)，符合國(guó)家節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和廣泛的應(yīng)用。