1、 第一章 概述岸橋、場橋?qū)儆诩b箱專用起重設(shè)備，與其它起重機一樣，其工作方式及負載都有一定的特殊性。其工作負載主要是針對起升機構(gòu)的吊具及吊具下的集裝箱。其工作特點如下：一. 負載特性有兩個特點： 直上直下，因此是一個位能性負載。當?shù)跄硞€箱時，此工作循環(huán)內(nèi)負載恒定，在任何轉(zhuǎn)速下負載轉(zhuǎn)矩總是保持恒定，而且負載轉(zhuǎn)矩的方向不隨電機的正反向而改變； 負載的最高有效率是50%，即一個完整的工作循環(huán)內(nèi)有一半的時間是空吊具運行，即使是在帶箱的時候，也不都是滿負荷起吊額定負載。為了提高生產(chǎn)效率，以及充分利用電動機的功率，通常在輕載時把速度提高，使轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩成反比，行成恒功率調(diào)速模式。恒功率控制也只是在一定范

2、圍內(nèi)而言的，當負載很低時，受機構(gòu)機械強度和電氣系統(tǒng)特性的限制，轉(zhuǎn)速不可能無限增大。一般恒功率調(diào)速范圍在額定速度的22.5倍。二. 起升機構(gòu)和小車機構(gòu)都是短時間隔的重復(fù)連續(xù)工作制，既對箱、吊箱、運行、對箱，周期性地起動停止或加減速，間隔很短。這樣要求傳動系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能。除了要有足夠的起制動轉(zhuǎn)矩和電機熱功率之外，還要考慮轉(zhuǎn)矩和速度的快速響應(yīng)和電機的良好散熱通風。三. 起升機構(gòu)下放的過程是一個勢能轉(zhuǎn)換成電能的過程，此時電動機處于發(fā)電狀態(tài)；各機構(gòu)電氣減速過程中電機也處于發(fā)電狀態(tài)。如何吸收這部分能量，目前有兩種方法：把該能量通過可逆的三相可控橋回饋給電網(wǎng)，或利用能耗(制動)電阻消耗掉。針對場橋、

3、岸橋如上所述的載荷特性，以前只有直流驅(qū)動能滿足要求。到二十世紀九十年代，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，大功率的開關(guān)元件如IGBT的產(chǎn)生，以及計算機技術(shù)在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用和發(fā)展，使交流調(diào)速可通過微處理器及IGBT實現(xiàn)矢量控制的變頻調(diào)速。從而使交流變頻調(diào)速開始用于位勢負載，并有取代直流驅(qū)動之勢。下面分述直流驅(qū)動和交流驅(qū)動的優(yōu)缺點。 直流驅(qū)動1. 直流驅(qū)動的調(diào)速性能好，易實現(xiàn)基速下的恒磁通變電樞電壓的調(diào)壓調(diào)速，以及基速上的弱磁恒功率調(diào)速；2. 起動轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)響應(yīng)好，有良好的起制動特性。這對于操作及安全生產(chǎn)有很好的幫助；3. 重物下放時勢能轉(zhuǎn)化為電能后易回饋給電網(wǎng)，系統(tǒng)效率高，節(jié)省了能源。這都是為什么首先在

4、場橋、岸橋上使用直流驅(qū)動的原因。但直流驅(qū)動還存在以下缺點:1. 與交流電動機相比，直流電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維護工作量大，碳刷消耗成本高；2. 為改善換向器的換向條件，要求直流電機電樞漏感小，電機轉(zhuǎn)子短粗，因而造成飛輪矩大，限制了最高弱磁轉(zhuǎn)速和速度響應(yīng)時間；3. 諧波分量大，功率因數(shù)較低。在高要求場合要增加諧波吸收及功率因數(shù)補償裝置。 交流驅(qū)動與直流電機相比,交流電機具有許多優(yōu)點：1. 無碳刷，無換向器(（流子），維護保養(yǎng)工作量小，運行成本低；2. 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，因此電機速度響應(yīng)好，最高速度可比直流電機高；3. 電機可制成全封閉型,耐惡劣環(huán)境性能好。交流驅(qū)動除電機本身的優(yōu)勢外，還有以下優(yōu)點

5、：1. 由于使用PWM（正弦脈寬調(diào)制）控制方式，從進線處看，功率因數(shù)基本上接近1；2. 具有較小的諧波電流，在進線處可不增加諧波濾波裝置。第二章 直流調(diào)速系統(tǒng)一直流電動機直流驅(qū)動系統(tǒng)的控制對象為直流電動機，下面簡單介紹橋吊上用的最多的它勵直流電機的特性。1機械特性它勵直流電動機的電路原理圖如下所示。UIaM,nRRaEaRfIfrUf圖中U為電樞的電源電壓；Ia電樞電流；Ea電樞反電勢；Ra電樞電阻；R 電樞附加電阻（作起動或調(diào)速用）；M電動機的電磁轉(zhuǎn)矩；N電動機轉(zhuǎn)速；Uf勵磁電壓；If勵磁電流；Rf勵磁繞組電阻；r 勵磁回路附加電阻（用以調(diào)節(jié)勵磁電流，從而改變磁通的大?。?。電樞回路總電阻R=

6、Ra+R，則電動機的轉(zhuǎn)速特性為U-IaRn =（式1）Ce由電磁轉(zhuǎn)矩公式M=CMIa得到Ia=M/Cm，代入上式可得到機械特性方程式：URn =- =n0-M， 式中n0=U/Ce稱為理想空載轉(zhuǎn)速；CeCeCm2=R/CeCm 稱為機械特性的斜率。由機械特性方程可知，當U、R為常數(shù)時，機械特性是一條以為斜率的下斜直線，如下圖所示。它表明穩(wěn)態(tài)時電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩的增大而降低，也就是說，負載轉(zhuǎn)矩增大時，電動機的轉(zhuǎn)速要下降。特性方程式中的M表示n隨M增大而下降的程度，稱為n，即Rn=M=M，于是n又可表示為n=n0-nCeCm2 nnn0M0 M Me M 它勵直流電動機的機械特性2人為特性 根據(jù)

7、電機的轉(zhuǎn)速特性工式（式1），可通過改變U、R來調(diào)速。人為的改變電機的參量U、R 所得到的機械特性稱為人為特性，分別如下圖所示。 nnRaUe固有特性U固有特性 Ra+R1URa+R20M0M圖-a電樞串電阻時的機械特性圖-b變電壓時的機械特性串電阻時的人為特性如圖-a所示，特性曲線為一組放射性曲線，其特點是所串電阻越大，曲線斜率越大，特性越軟；變電壓時的人為特性如圖-b所示，特性曲線為一組平行曲線，其特點是曲線斜率不變，特性硬度不變，但電壓越高，n0越大；ne 固有特性0M圖-c弱磁時的機械特性 弱磁時的人為特性如圖-c所示，特性曲線為一組既不放射又不平行的直線，其特點是n0與成反比，既弱磁時

8、n0增高，曲線斜率加大。因此特性上移，硬度減小。二直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)用在集裝箱起重機上最先采用F-D 系統(tǒng)，目前我司設(shè)備中沒有此類型設(shè)備。我司直流驅(qū)動的設(shè)備采用的是三相可控硅（SCR）供電方式，它是用可控硅整流橋把三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電后供給直流電動機電樞的一種調(diào)速方案。因可根據(jù)需要控制SCR觸發(fā)角來得到所需的電樞電壓，同時利用驅(qū)動器集成的或外置式勵磁裝置提供強磁、弱磁等不同的磁場來控制電機從0速到最高速度。1. 系統(tǒng)單線圖圖一為直流調(diào)速的系統(tǒng)單線圖，圖中CB為空氣開關(guān)，它是進線電源的分斷開關(guān)。FU1-3為交流側(cè)熔斷器提供主回路及SCR的保護。CT1-3為電流變壓器，它提供交CB流進線側(cè)

9、的電流反饋信，號用于環(huán)流保護的檢測。 FU1-3MA為交流接觸，作為交流進線電源與SCR轉(zhuǎn)換橋接通與斷開的控制器CT1-3件，當選擇運行且無故障時，MA吸合；當“停止”MACFU命令發(fā)出，且電機速度接進0速時，或當故障發(fā)生L時MA斷開。 L為鐵氧體芯電抗器，防止電機再生 情況下產(chǎn)生過大的瞬變SCRSCRF電流；SCR為可控硅整流橋，將三相交流轉(zhuǎn)換為直流；SH為分流器，提供直SH2流側(cè)電流反饋信號給控制SH器；FU4為勵磁回路交流側(cè)熔斷器，對勵磁回路進行保護；SCRF為磁場整流元件，F(xiàn)U4通過三分之二整流提供電動機的勵磁電流；SH2為磁場分流器，提供磁場電流的MFIELD反饋信號；FIELD為電

10、動機的勵磁線圈。圖1 可控硅整流單線圖2. 三相全控橋可逆線路三相全控可逆整流橋的線路圖如下，它指的是單線圖中的SCR部分，我司橋吊直流驅(qū)動器都是采用的這種形式。A1F-A6F為正向運轉(zhuǎn)時的可控整流SCR；A1R-A6R為反向運轉(zhuǎn)時的可控整流SCR。并聯(lián)在A1F與A4R上的RC串聯(lián)支路，是抑制可控硅陽極與陰極間瞬間瞬變電壓的阻容吸收電路。并聯(lián)在直流輸出端上的若干個電阻是為直流電壓反饋信號采樣用的。R7、C7組成的串聯(lián)支路是直流輸出瞬變電壓的阻容吸收裝置。為了減小驅(qū)動器的體積，通常將兩個可控硅組裝在一起形成反并聯(lián)。這樣從外觀看，就只有6個開關(guān)元件，但實際上由12個SCR組成。圖-2 三相可控橋可

11、逆電路圖-3 雙閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖4. 雙閉環(huán)控制框圖直流調(diào)速控制器一般采用雙閉環(huán)控制方式，目前都采用微處理器來進行控制，使控制方式幾乎都能實現(xiàn)數(shù)字化。圖-3是一典型的雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖。從這個典型的雙閉環(huán)系統(tǒng)框圖中可以看出，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)有兩種選擇：可以是速度環(huán)，也可以是電壓環(huán)。在橋吊中，起升機構(gòu)對調(diào)速精度要求較高，通常采用速度負反饋的閉環(huán)控制，其速度采樣一般有兩種形式：測速發(fā)電機和測速編碼器。大車、小車的調(diào)速精度要求不高，一般不采用速度外環(huán)而選擇電壓外環(huán)，俯仰機構(gòu)則有選擇速度外環(huán)的，也有選擇電壓外環(huán)的。圖中的電機磁場控制線路是一個能提供磁場恒流源的框圖。電機不運轉(zhuǎn)時提供經(jīng)濟勵磁，一般不超過額

12、定勵磁電流的70%。當電機運轉(zhuǎn)時，控制器發(fā)出指令，向電機提供額定勵磁電流，并根據(jù)負載情況，處理器在輕載或空載時向控制器發(fā)出指令，給電機提供弱磁時的勵磁電流，實現(xiàn)基速上的恒功率控制。 第三章 交流調(diào)速系統(tǒng) 交流驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)是交流異步電動機.異步電機在設(shè)計制造完成以后,其基本特性已經(jīng)確定,通過以下公式可知,電機輸出轉(zhuǎn)矩只與滑差轉(zhuǎn)速有關(guān).2MmM= (式3-1) S/Sm+Sm/S式中Mm為電機最大轉(zhuǎn)矩，Sm為臨界滑差，均為電機額定參數(shù)計算所得。理想情況下,空載時電機轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相同,帶載時隨著負載大小的變化,電機轉(zhuǎn)速較同步轉(zhuǎn)速有一個相應(yīng)的微小差異,即N=N。(1-S) (式3-2) 式中N。為

13、同步轉(zhuǎn)速,S為滑差,它與負載有關(guān).所以只要改變同步轉(zhuǎn)速,就能改變電機轉(zhuǎn)子的實際速度N,而同步轉(zhuǎn)速又符合以下公式:N。=120F/P (式3-3) 其中P為電動機極數(shù),為常數(shù).所以只要改變電機電源的頻率F,就能改變電機的同步轉(zhuǎn)速N。,進而改變電機的實際速度N.一交流電機的機械特性 三相異步電動機的機械特性是指電機的電磁轉(zhuǎn)矩M與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系n=f(M),用曲線表示時，一般縱座標表示轉(zhuǎn)速n（或轉(zhuǎn)差率S），以橫座標表示電磁轉(zhuǎn)矩。三相異步電動機的機械特性如下圖所示，曲線分為兩段：HP段近似為直線，稱為直線部分；PA段為曲線，稱為曲線部分。P點為最大轉(zhuǎn)矩點，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為Mm，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)差率為臨

14、界轉(zhuǎn)差率Sm。異步電機也有變電壓、串電阻等人為特性這里不多作介紹。Sn n00HSmP 0 MAMm圖3-1 三相交流異步電機的機械特性二交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速發(fā)展到現(xiàn)在已有多種形式，如調(diào)壓調(diào)速、串級調(diào)速、變頻調(diào)速等，這里主要介紹變頻調(diào)速的工作原理。變頻調(diào)速的基本控制方式在電動機調(diào)速時，一個重要因素是希望能保持每極的磁通量為額定值不變。磁通太弱沒有充分利用電機的鐵心，是一種浪費；若要增大磁通，又會使鐵心飽和，從而導(dǎo)致過大的勵磁電流，嚴重時會因繞組過熱而損壞電機。對于直流電機，勵磁是單獨的，只要對電樞反應(yīng)的補償合適，保持m不變是很容易做到的。在交流異步電機中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子的磁勢合成產(chǎn)生的怎樣來

15、保持磁通恒定，我們先看電機電動勢的公式：Eg=4.44f1N1kn1m (式3-4) 式中Eg氣隙磁通在定子每相中的感應(yīng)電動勢有效值，單位為V； f1定子頻率，單位為Hz；N1定子每相繞組匝數(shù)；kn1基波繞組系數(shù)；m 每極氣隙磁通量，單為為Wb 由式（3-4）可知，只要控制好Eg和f1，便可達到控制磁通m 的目的。對此，還需考慮基頻以下和以上兩種情況。 基頻以下調(diào)速由式（3-4）可知，要保持m不變，當頻率從額定值往下調(diào)時，必須同時降低電動勢Eg，使得f1/Eg為常數(shù)，既采用恒電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應(yīng)電動勢是難以直接控制的，當電動勢較高時，可忽略定子繞組的漏抗壓降，認為定子相電

16、壓U1=Eg，則得到U1/ f1=常數(shù)，這是恒壓比的控制方式。低頻時，定子繞組的漏抗壓降較大，不能再忽略。這時可人為地抬高U1，以便近似地補償定子壓降。帶定子壓降補償?shù)暮銐罕瓤刂铺匦郧€如圖3-2B線所示。U1U1 m U1n恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速恒功率調(diào)速U1nmnBU1Am 0f10f1f1nf1n圖3-2 恒壓頻比控制特性圖3-3 變頻調(diào)速控制特性2基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從f1n往上增高，但電壓U1卻不能增加的超過U1n，最多只能使U1=U1n。由式（3-4）可知，這樣將使磁通與頻率成反比的降低，相當于直流電機的弱磁升速。把基頻以下和以上兩種情況合起來，可得到如圖3-3 所示的異部電

17、機變頻調(diào)速控制特性。如果電機在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流，則電機能在溫升允許條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。按電力拖動原理，在基頻以下，屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”；而在基頻以上，基本上是“恒功率調(diào)速”。（二）變頻裝置交流變頻調(diào)速的核心部件是變頻裝置。我們知道，現(xiàn)有的交流供電電源都是恒壓恒頻率的，必須經(jīng)過變頻裝置，以獲得變壓變頻的電源，去滿足變頻調(diào)速的要求。這種裝置通稱為變壓變頻裝置（VVVF）。變頻裝置從結(jié)構(gòu)上分，可分為間接變頻和直接變頻兩類。間接變頻裝置先將工頻電源通過整流器變?yōu)橹绷?，再?jīng)逆變器將直流轉(zhuǎn)換成可控頻率的交流；直接變頻裝置是將工頻電源直接轉(zhuǎn)換成可控頻率的交流，沒有中間直流環(huán)節(jié)。目

18、前我司變頻器是使用間接變頻方式。1間接變頻裝置（交-直-交變頻裝置）間接變頻裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。按照不同的控制方式，又可分為圖3-5、6、7 中的三種形式。ACDCAC50Hz恒壓恒頻中間直流環(huán)節(jié)變壓變頻 整流逆變 圖3-4 間接變頻裝置（交-直-交）ACDCAC50Hz可控整流（調(diào)壓）逆變（調(diào)頻）變頻變壓（VVVF）圖3-5 ACDCDCAC50Hz不可控整流 斬波器（調(diào)壓） 逆變器（調(diào)頻） VVVF圖3-6ACDCAC50Hz不可控整流PWM逆變器 VVVF圖3-7、用可控整流變壓、逆變器變頻的交-直-交變頻裝置（圖3-5）調(diào)壓和調(diào)頻分別在兩個環(huán)節(jié)上進行，兩者要求在控制電路上協(xié)調(diào)配

19、合。這種變頻器結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，但由于輸入環(huán)節(jié)是可控整流，在電壓和頻率調(diào)得較低時，電網(wǎng)功率因數(shù)較?。惠敵霏h(huán)節(jié)多用IGBT等開關(guān)元旦組成三相六拍的逆變器，造成輸出的諧波較大。這就是這類變頻器的主要缺點。、用不可控整流器整流、斬波器變壓、逆變器變頻的交-直-交變頻裝置（圖3-6）整流環(huán)節(jié)采用二極管不可控整流器，再增設(shè)斬波器調(diào)壓。這樣雖然多了一個環(huán)節(jié)，但輸入功率因數(shù)高，克服了前一種變頻裝置的功率因數(shù)低的缺點。輸出逆變環(huán)節(jié)不變，仍有上述諧波較大的問題。、用不可控整流器整流、PWM（脈寬調(diào)制）逆變器同時變壓變頻的交-直-交變頻裝置（圖3-7） 用不可控整流，則功率因數(shù)高；用脈寬調(diào)制型逆變器，可減小諧波

20、。這樣前述的兩個缺點都解決了。諧波能減小的程度取決于開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受開關(guān)元件的開關(guān)時間的限制。因此一般采用開關(guān)頻率高、開關(guān)損耗小的IGBT作為開關(guān)元件，使輸出波形幾乎可得到非常近似的正弦波，因此又稱正鮮波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變器。關(guān)于SPWM的相關(guān)知識稍后在介紹。2直接變頻裝置（交-交變頻裝置） 交-交變頻結(jié)構(gòu)圖如圖3-8所示，它只用一個變換環(huán)節(jié)就可把恒壓恒頻電源（CVCF）轉(zhuǎn)換成VVVF電源，因此又稱交-交變頻器或周波變換器。鑒于其特定的工作方式，其輸出頻率最高也只能達到電網(wǎng)頻率的1/3，因此場橋岸橋不使用該形式，這里也不再多作介紹。ACAC50HzCVCFVVVF 交-交變頻圖3

21、-8交-交變頻結(jié)構(gòu)圖3電壓型和電流型變頻器 從變頻電源的性質(zhì)來看，無任是交-交變頻還是交-直-交變頻，又可分為電壓型變頻器和電壓型變頻器兩大類。、電壓型變頻器對于交-直-交變頻器，當中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電容濾波時，直流電壓的波形比較平直，在理想情況下是一種內(nèi)阻抗為零的恒壓源，輸出交流電壓是矩形波或階梯波，因此我們叫它電壓源型變頻器，又叫電壓型變頻器。如圖3-8（a）所示。+Ld逆 +逆 UdCd變 UdId變器器_¯（a）（b）圖3-9 電壓型和電流型交-直-交變頻器、電流型變頻器當交-直-交變頻器的中間直流環(huán)節(jié)主要采用大電感濾波時，直流回路中的電流波形比較平直，對負載來說基本上是

22、一個恒流源，輸出交流電流是矩形波或階梯波，因此我們叫它電流源型變頻器，又叫電流型變頻器。如圖3-8（b）所示。對于變頻調(diào)速系統(tǒng)來說，由于異步電機屬感性負載，不論它處在電動還是發(fā)電狀態(tài)，功率因數(shù)都不會等于1，故在中間直流環(huán)節(jié)與電動機之間總存在無功功率的交換。由于變頻器中的開關(guān)元件無法儲能，所以無功能量只能靠直流環(huán)節(jié)中的儲能元件電壓型變頻器中的電容器和電流型變頻器中的電抗器）來緩沖。因此可以說，電壓型變頻器和電流型變頻器的主要區(qū)別在于用什么儲能元件來緩沖無功能量。（三）正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變 圖3-10 表示了PWM變頻器的原理圖。由圖可知，這仍是一個交-直-交變頻器，它的整流部分是不可控

23、的，輸出電壓經(jīng)電容濾波（附加小電感限流）后形成恒定幅值的直流URUI3M 3圖3-10 SPWM 交-直-交變頻器原理圖電壓，加在逆變器上?？刂颇孀兤髦械腎GBT的導(dǎo)通或斷開，其輸出端即可獲得一系列寬度不等的矩形脈沖波，而決定IGBT動作順序和時間分配規(guī)律的控制方式即稱為脈寬調(diào)制方法。在這里，通過改變矩形脈沖的寬度可以控制呢變器輸出交流電壓的幅值；通過改變調(diào)制周期可控制其輸出頻率，從而在逆變器上可同時進行輸出電壓幅值和頻率的控制，滿足變頻調(diào)速對電壓與頻率協(xié)調(diào)控制的要求。1SPWM逆變器的工作原理名為SPWM逆變器，就是希望 其輸出電壓是純粹的正弦波形， U那么，可以把一個正弦半波分成N等分，如

24、土3-11（a）所示，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個等效面積的等高矩形脈沖來代替，矩形脈沖的中點與正弦 t波的每一等分的中點重合。這（a）正弦波形樣，由N個等幅而不等寬的矩 U形脈沖所組成的波形就與正弦的半周等效。同樣，正弦的負 半周也可用相同的方法來等效。 圖3-11（b）中的一系列脈沖波形就是所希望的逆變器輸出SPWM波形?？梢钥吹剑?t由于各脈沖的幅值相等，所以（b）等效的SPWM波形逆變器可由恒定的直流電源來供電，也就是說，這種交-直-交 圖3-11 與正弦波等效的等幅矩形脈沖序列波變頻器中的整流器采用不可控整流器就可以了（見圖3-10）。逆變器輸出脈沖的幅值就是整

25、流器的輸出電壓。當逆變器各開關(guān)元件都是在理想狀態(tài)下工作時，驅(qū)動相應(yīng)開關(guān)元件的信號也應(yīng)與圖3-11（b）形狀相似的一系列脈沖波形，這點應(yīng)很容易理解。 從理論上講，這一系列脈沖波的寬度可以嚴格地用積分的形式計算出來，作為控制逆變器各開關(guān)元件（IGBT）的依據(jù)。但較為實用的方法是引入調(diào)制這一概念，以所期望的波形（在這里是正弦波）作為調(diào)制波，而受它調(diào)制的信號稱為載波信號。在SPWM中，常用等腰三角波作為栽波，因為等腰散角波是上下等寬線性對稱變化的波形，當它與任何一平滑曲線相交時，在交點的時刻控制開關(guān)元件的通斷，即可得到一組等幅而寬度正比于該曲線函數(shù)值的矩形脈沖，這正是SPWM所需要的結(jié)果。UraUda

26、調(diào)制Urb波發(fā)生器Udb驅(qū)動IGBT1-6UrcUdcUt三角波發(fā)生器圖3-12 SPWM逆變器控制電路框圖 圖3-12為 SPWM逆變器控制電路框圖，一組三相對稱的正弦參考電壓信號（調(diào)制波）Ura、Urb、Urc由調(diào)制波發(fā)生器提供，其頻率決定呢變器輸出的基波頻率，應(yīng)在所要求的輸出頻率范圍內(nèi)可調(diào)。調(diào)制波的幅值也可在一定范圍內(nèi)變化，以決定輸出電壓的大小。三角載波信號Ut是共用的，分別與每相參考電壓比較后，給出“正”或“零”的飽和輸出，產(chǎn)生SPWM脈沖序列波Uda、Udb、Udc，作為逆變器功率開關(guān)元件IGBT的驅(qū)動控制信號。2SPWM的通步調(diào)制和異步調(diào)制 定義栽波的頻率ft和調(diào)制波的頻率fr之比

27、為載波比N，即N=ft/fr。根據(jù)N的變化與否，有同步調(diào)制和異步調(diào)制之分。、同步調(diào)制在同步調(diào)制方式中，N=常數(shù)，變頻時三角載波的頻率與正弦調(diào)制波的頻率同步變化，因而逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)是固定不變的。如果取N等于3的倍數(shù)，則同步調(diào)制能保證逆變器輸出波形的正、負半波始終保持對稱，并能嚴格保證散相輸出波形間具有互差120°的對稱關(guān)系。但是，當輸出頻率很低時，由于相鄰兩脈沖間的間隔加大，諧波會顯著增加，使負載電機產(chǎn)生較大的脈動轉(zhuǎn)矩和較強的噪聲，這是同步調(diào)制的主要缺點。、異步調(diào)制為了消除上述同步調(diào)制的缺點，可采用異步調(diào)制的方法，即在逆變器的整個變頻范圍內(nèi)，載波比N不為常數(shù)。一般在是

28、在改變參考信號頻率fr時保持三角載波頻率ft不變，因而提高了低頻時的載波比。這樣逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可隨輸出頻率的降低而增加，相應(yīng)地可減少負載電機的轉(zhuǎn)矩脈動和噪聲，改善了低頻工作時的特性。異步調(diào)制在改善低頻工作的同時，又會失去同步調(diào)制的優(yōu)點。當載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，勢必使逆變器輸出電壓的波形及其相位都發(fā)生變化，很難保持三相輸出間的對稱關(guān)系，因而引起電動機工作的不平穩(wěn)。為揚長避短，可將同步和異步兩種調(diào)制方式結(jié)合起來，這就有了分段同步的調(diào)制方式。、分段同步調(diào)制 在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點。當頻率降低較多時，使載波比分段有級地增加，又采納了異

29、步調(diào)制的長處，這就是分段同步調(diào)制方式。具體地說，把逆變器整個頻率范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比N恒定，對不同頻段取步同的N值，頻率低時取N值大些，一般按等比級數(shù)安排。3SPWM控制模式的實現(xiàn)如前所述，SPWM控制方式的難點是怎樣去觸發(fā)逆變器的IGBT，如用模擬電路提供觸發(fā)信號，則控制電路會相當復(fù)雜，且容易出錯。目前隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展，很容易就能得到SPWM波形。三矢量控制 我們知道，為什么直流電動機具有良好的調(diào)節(jié)特性，是因為它可用兩個獨立的控制量即勵磁電流和電樞電流分別控制氣隙磁通和電磁轉(zhuǎn)矩。在磁通不變的情況下，采用轉(zhuǎn)速、電流雙比環(huán)系統(tǒng)就能獲得四象限的加減素特

30、性。對于交流異步電機來說，因其電壓、電流、磁通和電磁轉(zhuǎn)矩各量處在一種相當復(fù)雜的耦合狀態(tài)，要想得到如直流電機一樣好的調(diào)速特性，近些年在自動控制領(lǐng)域里發(fā)展出了兩種矢量控制理念：磁場定向型矢量變換控制和轉(zhuǎn)差頻率控制型矢量變換控制。磁場定向型矢量變換控制是把異步電動機定子電流I1分解為兩個分量：一個是以轉(zhuǎn)子磁場定向的定子磁場電流分量IM1，另一個是垂直于定向磁場且產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的定子定子轉(zhuǎn)矩電流分量Ir1。這樣，IM1相當于直流電動機的勵磁電流If，Ir1相當于直流電動機的電樞電流Ia，可以分別對它們進行挑節(jié)，從而把異步電動機模擬成直流電動機來加以控制，獲得優(yōu)良的調(diào)速性能。轉(zhuǎn)差頻率控制型矢量變換控制，是步采

31、用復(fù)雜的磁通檢測而采用通過測速機測量電動機轉(zhuǎn)子角速度r，又通過模擬運算電路，求得電動機滑差角速度s，從而得到電動機旋轉(zhuǎn)磁場角速度0，即0=r+s。這樣，可求出給定定子電流I1*所需要的瞬時相位角1*，用I1*和1*去控制變頻裝置。變頻裝置為異步電動機提供基波幅值為I1*、瞬時相位角為1*的定子電流，滿足電動機負載所需的轉(zhuǎn)矩及磁通，從而實現(xiàn)矢量變頻控制。 SPWM變頻調(diào)速采用矢量控制后，可獲得等同于甚至于超過直流調(diào)速的調(diào)速性能，至于復(fù)雜的矢量變換及運算，通過微處理器可方便地完成。我司YASKAWA交流變頻系統(tǒng)大部分就是采用這種形式。關(guān)于YASKAWA變頻器，在YASKAWA系統(tǒng)介紹中會詳細描述。

32、第二部 GE驅(qū)動器 DC-300一綜述（圖4-14-4） DC-300可調(diào)速直流驅(qū)動器是一個全數(shù)字可編程控制的驅(qū)動器，利用微處理機來進行數(shù)字量的調(diào)節(jié)，進而對馬達進行控制。驅(qū)動參數(shù)如最大和最小速度、加速和減速時間等，都存儲在EPROM中,因而可隨意做到精確的調(diào)整。 DC-300控制器能提供80多個診斷信息。這些診斷信息可通過一個發(fā)光二極管組組成的診斷顯示板或一個帶字母數(shù)字讀數(shù)的編程器讀出來，也可通過一個可選擇的8線編碼輸出或通過可選擇的RS422/232C通訊線來讀取這些診斷信息。存儲在EPROM內(nèi)的驅(qū)動器操作參數(shù)也可通過RS422/232C通訊線來進行檢查和修改。另外,DC-300控制器可以檢

33、查SCR(可控硅)，并且有從電源合上后，在印刷線路板上的電平自檢，以及能自動使驅(qū)動操作參數(shù)的動態(tài)調(diào)整得到自動最優(yōu)化的調(diào)節(jié)過程。從而對系統(tǒng)狀況諸如DC-300控制器只需要三塊印刷線路板即控制板、電源板、電源連接板,還提供可擴展用的選擇板和接線端子板來實現(xiàn)附加功能。可選擇板包括應(yīng)用板、程序接口板、編程器板和端子板（3TB和4TB）。編程器可買固定式或手持式，編程器與控制板連接后可進行檢查和調(diào)整，同時也具有診斷功能?？刂瓢逄峁┮粋€以電流調(diào)節(jié)器為內(nèi)環(huán)、速度調(diào)節(jié)器為外環(huán)（也可為電壓環(huán)）的雙閉環(huán)回路。在對調(diào)速的精確性要求不嚴格的情況下，速度調(diào)節(jié)器可換成CEMF調(diào)節(jié)器。單獨的線性時間的加速和減速可從0到99

34、9.9秒間可調(diào)節(jié)（但電流限制了加速），也可得到隨意延長的線性時間和S曲線。電樞電流、電樞電壓、磁場電流、速度、力矩和功率的輸出計量信號都能從DC-300控制器上得到。另外，所有信號都可以作為一個模擬信號從三個數(shù)模轉(zhuǎn)換器中的一個或RS422/232C串行接口中得到。這些信號和其它信號都可以編程到附加的可編程電平信號檢測器中。圖4-4中的方框圖或稱“流程圖”，顯示了個基本DC-300驅(qū)動器的操作過程。交流電源通過交流熔斷器（或一個斷路器）、電流互感器（只有可逆控制器需要）和MA接觸器，輸入到變流器的SCR（可控硅）模塊，在這被轉(zhuǎn)換成可調(diào)節(jié)的DC電壓。直流電流通過一分流器和直流熔斷器（只用于可逆控制

35、器），最后到達直流電動機的電樞。模擬量的電壓或電流，頻率或數(shù)字量的輸入都能用來作為參數(shù)使用。同樣，各種測速發(fā)電機可和驅(qū)動器進行接口岸包括AC或DC模擬測速發(fā)電機和頻率高達40KHZ的測速脈沖編碼器。 二動力回路（主回路見圖4-54-9） 電機的磁場控制（MFC）可由一個驅(qū)動器內(nèi)置的最大輸出為10A的磁場板提供（G1型，見圖4-5A），也可由外置的最大輸出為24A的磁場板（分置式磁場板）來提供（G2型，見圖4-5B）。對于10A的MFC來說，電源板包含磁場電源的熔斷器（CFU1、CFU2、CFU3）、金屬氧化變阻器（MOV）、磁場反饋電流變換器（CT3）和線路電抗器（L4）。勵磁電源模塊安裝在主

36、控制器的散熱板上。24A的外置MFC提供一個獨立的散熱器及熔斷器（CFU1-1、CFU2-1、CFU3-1）、線路電抗器（L4）、勵磁電源模塊、包含MOVS的MFC抑制卡和磁場反饋電流變換器（T1）。注意：以上兩種不同的勵磁控制類型的熔斷器和變壓器在設(shè)計上有一定變化。 通過閱讀下文并參看相關(guān)例圖，可很好地理解MFC是怎樣工作的。通過CFU1、CFU2、CFU3（分置型為CFU1-1、CFU2-1、CFU3-1），可得到磁場的交流電源。MOVS可保護不受線路電壓的尖峰值和瞬變影響。電動機的勵磁電源可通過磁場功率模塊對交流電進行“三分之二”整流方式來得到。磁場功率模塊的可控硅對磁場電流的控制如下：

37、當交流電源的L1相矢量值高于L2相和L3相時，可控硅SCR觸發(fā)導(dǎo)通，此時勵磁電流通過DX1點和DW點之間的二極管提供給電機勵磁繞組，并通過SCR，再經(jīng)線路電抗器返回L3相，形成回路；當L2相的電壓矢量值高于L1相和L2相時，可控硅SCR觸發(fā)導(dǎo)通，勵磁電流經(jīng)DY和DW之間的二極管提供給電動機的勵磁繞組，再通過SCR，然后經(jīng)線路電抗器返回到L3相形成回路；當L3相的電壓矢量值高于L1和L2相時，可控硅SCR被加反向電壓，存儲在電機勵磁繞組內(nèi)的能量（環(huán)流）通過DZ與DW之間的二極管（相當于續(xù)流二極管）形成回路，直到L1相再次升高到高于L1、L2相，同時再次觸發(fā)SCR進入下一周期。勵磁電流由電流反饋變

38、壓器（T1或T3，依據(jù)不同的MFC類型）、并被送到電源板上的磁場給定回路（外置的MFC通過FCPL），在到控制板。電源板通過CFU4和CFU5，經(jīng)過端子CPTH1和CPTH2提供輸入電壓給控制電源變壓器。RT1、RT2、RT3采集交流同步信號提供給控制板。熔斷器CFU6、CFU7、CFU8位于電源板上，內(nèi)部的直流電源是通過CFU6和CFU7來進行保護。CFU8保護內(nèi)部115V交流電源。這些電路由控制電壓變壓器通過插頭CPTPL進行供電。可逆系統(tǒng)和不可逆系統(tǒng)中用的是SCR變流橋，其中A、B、C型框架如圖4-6圖4-9中所示。三相交流電源通過交流熔斷器（FU1-3）或一個附加的線路斷路器，輸送到整

39、流橋。兩個線電流互感器（CT1和CT3）提供的電流反饋信號作為變流失敗顯示（只適合于可逆驅(qū)動器）。接觸器MA和電抗器（可逆驅(qū)動器）提供AC線路瞬態(tài)變化保護。RC緩沖回路安置在電源連接板上，它們?yōu)镾CR提供保護。在可逆系統(tǒng)中，RC被跨接在二個正反相的SCR上，對于不可逆系統(tǒng)，RC直接跨接在進線AC三相線路上。SCR的觸發(fā)脈沖信號通常由電源連接板上的脈沖變壓器提供。觸發(fā)次序依次為1-6-2-4-3-5，可逆和不可逆系統(tǒng)均如此。正向反向也一樣。直流電源通過分流器DA1供給電動機電樞，再通過分流器DA2返回。DA2上只有在可逆系統(tǒng)中才有熔斷器。一個RC保護電路跨接在P1和DA2之間幫助封鎖SCR。電壓

40、反饋信號與RC回路并聯(lián)，電流反饋信號從分流器中得到。在散熱器上可安裝一熱偶開關(guān)以監(jiān)控溫度。 交流電源的要求DC-300驅(qū)動器的適用電壓為230VAC+10%，-5%（1-100）或460VAC+10%，-5%（2-250HP）的三相電源模式。通常頻率為50HZ，允許誤差±2%。 交流熔斷器交流熔斷器對SCR和控制器內(nèi)部線路提供短路保護，一個隔離開關(guān)或斷路器也可作為選項采用。另外，通過延時過流功能來進行過流保護。 電抗器（只適用于可逆系統(tǒng)）鐵氧體芯子裝置（電抗器）被安置在交側(cè)熔斷器和SCR之間，以消除再生瞬時電流和電壓所引起的影響。 主接觸器（MA）主接觸器MA在交流電源與功率變換單元

41、（正流橋）之間，提供一個可控制的開斷點。當驅(qū)動器處在運行模式且無故障時，接觸器吸合。當下列情況發(fā)生時，接觸器斷開：1在不可逆系統(tǒng)中，當“停止”命令發(fā)出時；2在可逆系統(tǒng)中，當“停止”命令發(fā)出且電動機速度減到接近0速時（通常5%以下）；3當故障發(fā)生時。 直流熔斷器FU4在驅(qū)動器直流輸出線路與電動機電樞之間，有一直流熔斷器，它對SCR和電動機在電機過流的情況下進行保護（只適用于可逆系統(tǒng)）。 控制電源變壓器（CPT） 該變壓器通過其初級側(cè)熔斷器（CFU4、CFU5）從電源板上獲取電源，它的次級提供兩個獨立電壓：1115VAC，用于驅(qū)動器MA的線圈、RUN繼電器（K1）和控制器冷卻風扇；2中間抽頭的38

42、VAC提供給電源板以產(chǎn)生控制器工作所需要的直流控制電壓。 分流器（SH）分流器提供電動機電樞電流的反饋信號給控制回路，分流器在電樞額定電流時所產(chǎn)生的輸出為100毫伏。 電流互感器ASM（CT）電流互感器用于提供交流回路的電流反饋信號（可逆系統(tǒng)），該信號用于環(huán)流故障的保護。FIGURE 15 CONTROL CARD三接線圖及各卡板接線圖可逆系統(tǒng)和不可逆系統(tǒng)的接線圖如圖4-104-13所示。它們以圖的行式描述了控制器插頭和電纜的內(nèi)部連接。當內(nèi)部連接電纜在某一處出現(xiàn)問題時，這些圖可幫助查找問題。各連接器的功能說明參看“電氣連接”部分。 控制板（圖4-15）該板實現(xiàn)DC-300驅(qū)動器的智能控制。它包含三個微處理器并實現(xiàn)大部分的調(diào)節(jié)功能、SCR觸發(fā)、診斷和保護功能等客戶化功能及馬達接口功能，這些功能的執(zhí)行通過軟