1   前言

      隨著工業(yè)生產(chǎn)對起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法如：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級調(diào)速等共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。

      交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調(diào)速是起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。

      交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)后，與市場上大量使用的傳統(tǒng)的繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可帶來以下顯著效益。

       （1）采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機(jī)由于變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬，具有精確定位的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)起重機(jī)負(fù)載變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化的現(xiàn)象，可以提高裝卸作業(yè)的生產(chǎn)率。

       （2）變頻起重機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起、制動(dòng)平緩，運(yùn)行中加、減速時(shí)整機(jī)振動(dòng)和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長了起重機(jī)機(jī)械部分的壽命。

       （3）機(jī)械制動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)低速時(shí)動(dòng)作，主鉤以及大、小車的制動(dòng)由電氣制動(dòng)完成，所以機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)片壽命大為延長，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用下降。

       （4）采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，避免了因集電環(huán)、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動(dòng)機(jī)損壞或不能起動(dòng)的故障。

       （5）交流接觸器大量減少，電動(dòng)機(jī)主回路實(shí)現(xiàn)了無觸點(diǎn)化控制，避免了因接觸器觸頭頻繁動(dòng)作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動(dòng)機(jī)損壞故障。

       （6）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活調(diào)整各檔速度和加、減速時(shí)間，使得變頻起重機(jī)操作靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性好。

       （7）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)屬高效率調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行效率高，發(fā)熱損耗小，因此比老式調(diào)速系統(tǒng)大量節(jié)電。

       （8）變頻器具有完善的保護(hù)、監(jiān)測及自診斷功能，如再結(jié)合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性。

 

       2   門座式起重機(jī)的特點(diǎn)

      門座式起重機(jī)是一種用來起吊、放下和搬運(yùn)重物，并使重物在一定范圍內(nèi)移動(dòng)的起重、搬運(yùn)設(shè)備，在生產(chǎn)過程中起著重要作用。門座式起重機(jī)系統(tǒng)分為起升（抓斗門機(jī)由支持、閉合機(jī)構(gòu)組成）、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走四部分。

       門座式起重機(jī)是隨著港口事業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的，在發(fā)展過程中，門座式起重機(jī)還逐步推廣應(yīng)用到作業(yè)條件與港口相近的船臺(tái)和水電站工地等處。按用途可分為3類：①裝卸用門座起重機(jī):主要用于港口和露天堆料場，用抓斗或吊鉤裝卸。起重量一般不超過25噸，不隨幅度變化。工作速度較高，故生產(chǎn)率常是重要指標(biāo)。②造船用門座起重機(jī)：主要用于船臺(tái)、浮船塢和艤裝現(xiàn)場，進(jìn)行船體拼接、設(shè)備艤裝等吊裝工作，用吊鉤作為吊具。最大起重量達(dá)300噸,幅度大時(shí)起重量相應(yīng)減小。有多檔起升速度，吊重輕時(shí)可提高起升速度。有些工作機(jī)構(gòu)還備有微動(dòng)裝置，以滿足安裝要求。門座高度大者，可適應(yīng)大起升高度和大幅度作業(yè)的要求，但工作速度較低，作業(yè)生產(chǎn)率不高。③建筑安裝用門座起重機(jī)：主要用在水電站進(jìn)行大壩澆注、設(shè)備和預(yù)制件吊裝等，一般用吊鉤。起重量和工作速度一般介于前兩類起重機(jī)之間。它具有整機(jī)裝拆運(yùn)輸性好、吊具下放深度大、能較好地適應(yīng)臨時(shí)性工作和棧橋上工作等的特點(diǎn)。

2.1  使用環(huán)境

      門座式起重機(jī)大多用于港口碼頭、貨場、重工企業(yè)等的露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，有些場所存在多粉塵、有腐蝕氣體等，使用環(huán)境惡劣。門座式起重機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)、沖擊較大，供電電源方面普遍存在變壓器容量小，供電電纜截面小、線路長；在大型設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，常造成瞬時(shí)欠電壓。

2.2  機(jī)構(gòu)組成及運(yùn)行特征

      門座式起重機(jī)有起升、回轉(zhuǎn)、變幅和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，前3種機(jī)構(gòu)裝在轉(zhuǎn)動(dòng)部分上,每一周期內(nèi)都參加作業(yè)。轉(zhuǎn)動(dòng)部分上還裝有可俯仰的傾斜單臂架或組合臂架及司機(jī)室。運(yùn)行機(jī)構(gòu)裝在門座下部，用以調(diào)整起重機(jī)的工作位置；帶斗門座起重機(jī)還裝有伸縮漏斗、帶式輸送機(jī)等附加設(shè)備，以提高門座起重機(jī)用抓斗裝卸散狀物料時(shí)的生產(chǎn)率。除電氣保護(hù)裝置外，還裝有起重量或起重力矩限制器、起重機(jī)夾軌器等安全裝置。

       門座式起重機(jī)的各類機(jī)構(gòu)都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載；此外，不同的機(jī)構(gòu)還具有各自的特點(diǎn)。

       （1）起升機(jī)構(gòu)由于重物在空間具有位能，是位能性負(fù)載。其特點(diǎn)是：重物上升時(shí)，電動(dòng)機(jī)克服各種阻力(包括重物的重力、摩擦阻力等)而作功，屬于阻力負(fù)載；重物下降時(shí)，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力(位能)，因此當(dāng)重物的重力大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物本身的重力(位能)是下降的動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)成了能量的接受者，屬于動(dòng)力負(fù)載；但當(dāng)重物的重力小于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物仍需由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下降，屬于阻力負(fù)載。

       （2）變幅、旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)都是阻力負(fù)載。但室外起重機(jī)的這些機(jī)構(gòu)有時(shí)在較大風(fēng)力情況下成為動(dòng)力負(fù)載。

       （3）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動(dòng)加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。

       （4）由于機(jī)械制動(dòng)器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動(dòng)信號(hào)與機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作信號(hào)的控制時(shí)序。

       （5）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或行走機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。

       （6）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。

 

       3   電動(dòng)機(jī)的選用

        籠型異步電動(dòng)機(jī)由變頻器供電時(shí)，因?yàn)槭袌錾铣鍪鄣淖冾l器大多采用PWM調(diào)制方式，會(huì)由于高次諧波的影響和電機(jī)運(yùn)行速度范圍的擴(kuò)大，出現(xiàn)一些工頻電源供電時(shí)沒有的新問題。

       （1）諧波的影響

      采用PWM調(diào)制方式的通用變頻器給籠型異步電動(dòng)機(jī)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子電流中含有豐富的高次諧波，高次諧波造成電動(dòng)機(jī)的鐵損和銅損增加，致使電動(dòng)機(jī)的溫度上升。統(tǒng)計(jì)資料表明，電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下，變頻器供電的電動(dòng)機(jī)比工頻供電時(shí)，電流增加10%，而溫升增加20%左右。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，應(yīng)留有裕量，防止電動(dòng)機(jī)溫升過高，影響其壽命。

       另外，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的尺寸大于280時(shí)，為了避免出現(xiàn)因高次諧波引起的軸電流，應(yīng)在電動(dòng)機(jī)的非傳動(dòng)端安裝絕緣軸承，為進(jìn)一步減小軸承電流，應(yīng)使用屏蔽電機(jī)電纜，并且電動(dòng)機(jī)外殼應(yīng)很好接地。

       （2）散熱能力的影響

      標(biāo)準(zhǔn)籠型電動(dòng)機(jī)的散熱能力，是按額定轉(zhuǎn)速下安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的冷卻風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量考核的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)，額定轉(zhuǎn)速以下會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的降低其散熱能力變差。門座式起重機(jī)的起升、行走機(jī)構(gòu)均為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為了保證低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)溫升在容許值內(nèi)，須采用變頻專用電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)在國內(nèi)推出的變頻專用電動(dòng)機(jī)由普通籠型異步電動(dòng)機(jī)加裝獨(dú)立風(fēng)扇組成，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣能力，擴(kuò)大了電動(dòng)機(jī)的調(diào)速范圍，可在3—100Hz范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。3—50Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，50—100Hz范圍內(nèi)為恒功率運(yùn)行。

      （3）電動(dòng)機(jī)絕緣的影響

      現(xiàn)在市場上出售的通用變頻器大多采用PWM調(diào)制方式的IGBT逆變器技術(shù)，其輸出電壓由高壓脈沖組成，峰值約為電網(wǎng)電壓的1.35倍。根據(jù)電機(jī)電纜特性及供電距離的不同，脈沖電壓的峰值在電動(dòng)機(jī)接線端子處可能加倍，這就對電動(dòng)機(jī)的絕緣提出了更高的要求，詳細(xì)情況應(yīng)參閱變頻器生產(chǎn)廠家提供的使用手冊或向電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商咨詢。

       4  變頻器的選用

4.1  英威騰CHV190起重機(jī)專用變頻器簡介

4.1.1  主要功能簡介

         CHV190起重機(jī)專用變頻器是英威騰針對起重行業(yè)專業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的一款高性能矢量變頻器，用于各類起重機(jī)的起升、俯仰、變幅、大車、小車、回轉(zhuǎn)、抓斗等機(jī)構(gòu)的交流無級調(diào)速。主要的功能及特點(diǎn)如下：

（1）抱閘邏輯控制與監(jiān)控、預(yù)勵(lì)磁及起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

準(zhǔn)確的抱閘開啟和閉合控制時(shí)序，通過抱閘實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋和起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，確?？刂频陌踩院涂煽啃浴?/p>

        預(yù)勵(lì)磁功能是在啟動(dòng)之前自動(dòng)地對電機(jī)實(shí)行直流勵(lì)磁，以保證電動(dòng)機(jī)快速地提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁的時(shí)間使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)器的釋放時(shí)間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。

（2）輕負(fù)載升速（電子副鉤）和松繩檢測

       起重機(jī)空鉤或輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)2倍速運(yùn)行，提高裝卸效率。輕負(fù)載升速功能主要應(yīng)用于起升高度較大的起重機(jī)：在起升機(jī)構(gòu)空載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)使速度上升，以縮短時(shí)間來提高裝卸效率；重載時(shí)自動(dòng)降低速度以確保設(shè)備和人身的安全。變頻器根據(jù)啟動(dòng)后一段時(shí)間內(nèi)的平均電流值來判斷負(fù)荷的大?。寒?dāng)負(fù)載重時(shí)，變頻器自動(dòng)降低輸出頻率；當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，變頻器自動(dòng)提高輸出頻率。松繩檢測功能防止在起重機(jī)繩索松弛的情況下，輕負(fù)載升速功能誤動(dòng)作引發(fā)的不安全運(yùn)行。

（3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制,提高了用戶調(diào)試時(shí)的安全性，便于故障診斷與維護(hù)。

（4）主從控制功率平衡與速度同步技術(shù)

        在兩個(gè)大功率電機(jī)通過減速箱剛性連接驅(qū)動(dòng)一個(gè)起升機(jī)構(gòu)時(shí)，主從控制功率平衡功能保證兩個(gè)電機(jī)出力均勻；在雙起升機(jī)構(gòu)提升一個(gè)重物時(shí)，主從控制速度同步功能保證兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)同步提升，確保安全。

（5）第二電機(jī)控制及切換功能

        一臺(tái)變頻器通過參數(shù)自學(xué)習(xí)可以自動(dòng)存儲(chǔ)兩套電機(jī)參數(shù)，通過切換指令實(shí)現(xiàn)對兩組電機(jī)的高性能矢量控制；便于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，降低用戶成本。

（6）同時(shí)支持PROFIBUS-DP和MODBUS、INTERNET多種通訊協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)變頻器和PLC之間的通訊連接。            

（7）危險(xiǎn)速度監(jiān)視、快速停車及超速保護(hù)

       變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行速度，當(dāng)電機(jī)速度大于設(shè)定的最高允許速度或速度偏差值時(shí)，變頻器發(fā)出故障報(bào)警并立即停止輸出，機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，使起重機(jī)處于安全狀態(tài)。

快速停車功能給用戶提供以下三種方式供選擇：

方式1：電氣制動(dòng)的停車；方式2：電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)的停車；方式3：機(jī)械制動(dòng)的停車。

（8）起重機(jī)操作模式

       根據(jù)起重機(jī)不同的操作模式，為用戶提供以下操作模式選擇：操縱桿模式、遙控模式、電動(dòng)電位器模式、分級操縱桿給定模式、分級遙控給定模式、通訊給定模式等。

4.1.2 應(yīng)用范圍

       CHV190起重機(jī)專用矢量變頻器，具有優(yōu)異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機(jī)（STS）、軌道式集裝箱龍門起重機(jī)(RMG)、輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)（RTG）、門座式起重機(jī)、造船用龍門起重機(jī)、裝船機(jī)、卸船機(jī)、翻車機(jī)、堆取料機(jī)等各類港口機(jī)械，以及各類普通橋式、門座式、塔式起重機(jī)和提梁機(jī)、架橋機(jī)等起重機(jī)械的起升、變幅、大車、小車、回轉(zhuǎn)、抓斗等機(jī)構(gòu)的交流無級調(diào)速。

4.2  變頻器容量計(jì)算

下面就門座式起重機(jī)的起升、行走（回轉(zhuǎn)）機(jī)構(gòu)的變頻器選用原則做以詳細(xì)說明。

（1）起升機(jī)構(gòu)

 門座式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)所需的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率：

Wν

PM = ————

      6120η

式中W——起升機(jī)構(gòu)額定提升負(fù)荷的重量，kg

ν——起升機(jī)構(gòu)的額定速度，m/min

η——起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率

變頻器的容量必須大于負(fù)載所需求的輸出，即：

k PM

P0[KVA] ≥ ————

            ηcosφ

式中k——過載系數(shù)1.33

PM——負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率，kW

η——電動(dòng)機(jī)效率

cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)

起升機(jī)構(gòu)要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.3—1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉(zhuǎn)矩需有1.6—2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對于拖動(dòng)等額功率電動(dòng)機(jī)的變頻器來說，可提供長達(dá)60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。

在變頻器容量選定后，還應(yīng)做電流驗(yàn)證，即：

ICN≥kIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定電流，A

       一般的大噸位起重機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)各自的鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過動(dòng)滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速傳動(dòng)方案采用一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的“一拖一”方案，為了提高低速傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個(gè)起升機(jī)構(gòu)的2臺(tái)變頻器之間采用CHV190變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩平衡分配和2個(gè)起升機(jī)構(gòu)的速度同步。

（2）行走、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

        門座式起重機(jī)的行走、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大多采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案。由于門座式起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電動(dòng)機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此門座式起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)所需的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率PM應(yīng)由負(fù)載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

行走機(jī)構(gòu)所需的負(fù)載功率為：

µ Wν

Pj = ————

      6120η

式中 µ——行走機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)

W——行走機(jī)構(gòu)額定負(fù)荷的重量，kg

ν——行走機(jī)構(gòu)的額定速度，m/min

η——行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率

行走機(jī)構(gòu)所需的加速功率為：

ｋｎＭ            GD²ｎＭ

Pa =  ————— × ————

      974ηcosφ      375 tA

式中ｋ——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）

ｎＭ  ——行走機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min

cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)

η——電動(dòng)機(jī)效率

GD²——行走機(jī)構(gòu)換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m²

tA——電動(dòng)機(jī)加速時(shí)間（根據(jù)負(fù)載要求確定），s

由于行走機(jī)構(gòu)大多采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時(shí)，還應(yīng)滿足以下公式：

ICN≥knIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時(shí)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，A

n——一臺(tái)變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量

5   再生能量的處理

       當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或行走機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過電壓跳閘。

        在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng)；② 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動(dòng)。英威騰推出的DBU型能耗制動(dòng)單元和RBU型能量回饋單元的具體參數(shù)可參見說明書。

下面對這兩種制動(dòng)方式做以詳細(xì)介紹。

（1）動(dòng)力制動(dòng)

        動(dòng)力制動(dòng)由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。變頻器設(shè)置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻后，其動(dòng)力制動(dòng)能力取決于制動(dòng)電阻的允許功率。因此，計(jì)算再生功率PM時(shí)，必須滿足PM

① 計(jì)算再生能量EM

② 計(jì)算再生功率PM

PM = EM/t0

式中 PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

EM——機(jī)構(gòu)急減速及下降時(shí)的再生能量，J

t0——制動(dòng)周期時(shí)間，S

③ 選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合

選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合，必須滿足下列條件：

PM

式中 PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

PR——制動(dòng)電阻的允許功率，W

PDB——制動(dòng)單元的允許功率，W

當(dāng)計(jì)算的PM>PR時(shí)，表明超出了制動(dòng)電阻的處理能力，需重新核算負(fù)載慣量和減速時(shí)間。

④ 制動(dòng)電阻RB0的計(jì)算

在再生回饋制動(dòng)中，即使不設(shè)置制動(dòng)電阻，依靠電機(jī)內(nèi)部損耗也可獲得約20%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此可用下式計(jì)算所需的電阻值RB0：

VC²

RB0 = ——————————

     1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V

TB——制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kg·m

TM——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kg·m

n1——電動(dòng)機(jī)開始減速時(shí)的速度，rpm

動(dòng)力制動(dòng)的放電回路由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成，其最大電流受制動(dòng)晶體管最大允許電流IC的限制，制動(dòng)電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動(dòng)電阻選用時(shí)其實(shí)際值RB應(yīng)滿足以下條件：

RMIN < RB < RB0

上述選型是建立在精確的計(jì)算基礎(chǔ)上，在實(shí)際工程中如果精確的計(jì)算數(shù)據(jù)不能取得，也可按下述給出的經(jīng)驗(yàn)公式選型。

①起升機(jī)構(gòu)的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實(shí)際的負(fù)載再生發(fā)電功率，ηmec為機(jī)械效率，ηmot為電機(jī)效率。

②制動(dòng)電阻RB0的近似計(jì)算

VC&sup2;

RB0 = ——

        PM

由于行走機(jī)構(gòu)屬于摩擦負(fù)載，其制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻可按變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2）回饋制動(dòng)

        為了實(shí)現(xiàn)把制動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)采用可逆變流器。英威騰推出的能量回饋制動(dòng)單元，它的網(wǎng)側(cè)變流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網(wǎng)電壓識(shí)別板。由于采用了PWM控制技術(shù)，對網(wǎng)側(cè)交流電壓的大小和相位可以進(jìn)行控制，可以使交流輸入電流與電網(wǎng)電壓同相位并接近正弦波，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9，回饋制動(dòng)時(shí)有100%電網(wǎng)回饋能力，而不需要自耦變壓器。

        動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。應(yīng)該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下，才可以采用回饋制動(dòng)方式。對于采用滑觸線供電的起重機(jī)，應(yīng)特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點(diǎn)，建議采用動(dòng)力制動(dòng)方式，以保證起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降時(shí)調(diào)速制動(dòng)的可靠性。

6  布線設(shè)計(jì)

6.1  變頻器主回路

       門座式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的變頻器采用矢量控制方式，它們要用所傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的一些電機(jī)常數(shù)，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測程序來完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線發(fā)熱校驗(yàn)選擇電機(jī)的配線，必然在長距離供電時(shí)，把線路阻抗加入到了參數(shù)自檢測出的電機(jī)數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。另外，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的敷設(shè)距離長，則線路壓降大，有時(shí)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足。特別是變頻器輸出頻率較低時(shí)，其輸出電壓也低，線路壓降所占的比例增大。變頻器與電機(jī)間的線路壓降以不超過額定電壓的2%為容許值，電機(jī)電纜的截面可據(jù)此來選擇。

       由于在變頻器的輸出布線中存在寄生電容，其容量與電機(jī)電纜的長度成正比，電機(jī)電纜的寄生電容容量越大，采用PWM控制方式的變頻器輸出電纜中的漏電流也越大，從而造成變頻器的出力不夠。所以在門座式起重機(jī)的布線設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求減小變頻器到電動(dòng)機(jī)的電纜的長度總和。

6.2  控制回路

       變頻器的控制信號(hào)為微弱的電壓、電流信號(hào)，所以與主回路不同，變頻器的輸出回路是強(qiáng)電磁干擾源，因此，變頻器控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進(jìn)一步提高抗干擾效果，還應(yīng)采用1.0mm2絕緣屏蔽導(dǎo)線。絕緣屏蔽導(dǎo)線的接地應(yīng)在變頻器側(cè)進(jìn)行單點(diǎn)接地，使用專用的接地端子，不與其它的接地端子共用。電磁感應(yīng)干擾的大小與電線的長度成比例，所以要盡可能地以最短的線路敷設(shè)。在電磁干擾嚴(yán)重的場合，除了采取接地、屏蔽等措施外，還可以在變頻器的控制信號(hào)線上安裝數(shù)據(jù)濾波器，以進(jìn)一步減小干擾電壓的影響。

7   CHV190起重機(jī)專用變頻器在25t-35m門座式起重機(jī)中的應(yīng)用介紹

 

 

7.1  25T-35M門座式起重機(jī)的主要參數(shù)如下：

（1）額定起重量：吊鉤下25m處40T；抓斗25T；

（2）起升高度：抓斗軌上20m；軌下15m；吊鉤軌上28m；軌下15m；

（3）幅度：最大35m，最小10m；

（4）工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度

①起升速度：吊鉤額定25m/min；抓斗額定50m/min；空載60m/min；

②旋轉(zhuǎn)速度：0.8（幅度30-35m）/1.2（幅度10-30m）rpm；

③變幅平均速度：45m/min；

④行走速度：25m/min；

（5）電源：3相380V，50Hz

（6）整機(jī)工作級別：A8

7.2 電氣傳動(dòng)單線圖

（1）起升機(jī)構(gòu)

MC型40T抓斗門座式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)由支持、閉合機(jī)構(gòu)組成，兩機(jī)構(gòu)均由1臺(tái)160KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速為帶編碼器的閉環(huán)矢量控制，采用INVT公司起重機(jī)專用變頻器CHV190-220G-4；制動(dòng)單元為DBU-315-4，制動(dòng)電阻：2Ω80KW；屬有檔位無級調(diào)速方式，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線控制，內(nèi)設(shè)S曲線加減速模式，保證重物提升過程中的穩(wěn)定性。

    （2）俯仰機(jī)構(gòu)

俯仰機(jī)構(gòu)由1臺(tái)132ＫＷ變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速為帶編碼器的閉環(huán)矢量控制，采用INVT公司起重機(jī)專用變頻器CHV190-185G-4；制動(dòng)單元為DBU-315-4，制動(dòng)電阻：2Ω60KW；屬有檔位無級調(diào)速方式，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線控制，內(nèi)設(shè)S曲線加減速模式，保證起升機(jī)構(gòu)變幅過程中的穩(wěn)定性。

（3）大車機(jī)構(gòu)

大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由4臺(tái)11KW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和支持機(jī)構(gòu)共用一臺(tái)變頻器通過切換分別控制，其中一組電機(jī)需要控制運(yùn)行時(shí)，變頻器接收到轉(zhuǎn)換信號(hào)后自動(dòng)切換到相應(yīng)電機(jī)組參數(shù)。

 

 

（4）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由2臺(tái)30ＫＷ變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)速為開環(huán)矢量控制，采用INVT公司起重機(jī)專用變頻器CHV190-110G-4；制動(dòng)單元為DBU-220-4，制動(dòng)電阻：4Ω20KW；屬有檔位無級調(diào)速方式，采用Profibus-DP現(xiàn)場總線控制，內(nèi)設(shè)S曲線加減速模式，保證回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的大慣性負(fù)載起制動(dòng)平滑和運(yùn)行的穩(wěn)定性。

7.3  系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）可靠的抱閘邏輯控制，同時(shí)抱閘時(shí)間可調(diào)，在保證不溜鉤的同時(shí)，也避免了電機(jī)的大沖擊電流。

（2）高性能的閉環(huán)矢量控制，在零速時(shí)可輸出180%的額定轉(zhuǎn)矩長達(dá)10S。增加了系統(tǒng)的可靠性。

（3）提升機(jī)械采用輕負(fù)載升速（電子副鉤）功能，吊重物時(shí)0-50HZ之間運(yùn)行，空鉤可實(shí)現(xiàn)0-100HZ之間運(yùn)行，以提高工作效率；

（4）多段速或者模擬量調(diào)速，加減速過程均按照S曲線模式，增加了工作的穩(wěn)定性，減小了機(jī)械沖擊。延長設(shè)備使用壽命。

（5）多電機(jī)并聯(lián)后，變頻器自動(dòng)辨識(shí)參數(shù)，建立有效的數(shù)學(xué)模型；控制精度非常高。

（6）單臺(tái)變頻器切換控制2組電機(jī)，自動(dòng)辨識(shí)并存儲(chǔ)兩組電機(jī)參數(shù)，均可實(shí)現(xiàn)高性能控制。降低了設(shè)備的整機(jī)成本，極大提高了整機(jī)的競爭力。

（7）可調(diào)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)精確控制。

7.4   變頻器的現(xiàn)場調(diào)試

    限于篇幅，下面以支持機(jī)構(gòu)變頻器的調(diào)試過程為例，簡要介紹CHV190變頻器的調(diào)試過程。

(1) 電機(jī)參數(shù)辨識(shí)

辨識(shí)電機(jī)參數(shù)在電機(jī)軸與負(fù)載脫開的情況下進(jìn)行，首先設(shè)定電機(jī)參數(shù)P2.00-P2.0５和編碼器參數(shù)P4.00-P4.01,然后設(shè)定 P0.07為1進(jìn)行電機(jī)參數(shù)自學(xué)習(xí)，主要的參數(shù)如下：

自學(xué)習(xí)完成后，設(shè)定速度由低到高空載閉環(huán)矢量運(yùn)行，觀察空載電流及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，確保正常。

(2) 其它參數(shù)的設(shè)定

P0組（基本功能組）、P1組（速度曲線組）、P4組（編碼器參數(shù)組）、P5組（輸入端子組）、P6組（輸出端子組）等參數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。

(3)抱閘時(shí)序控制測試

通過修改P8組 增強(qiáng)功能組中的抱閘合閘、松閘延時(shí)、停機(jī)延時(shí)等參數(shù)，調(diào)試抱閘時(shí)序控制情況。

(4) 帶負(fù)載閉環(huán)矢量運(yùn)行及驗(yàn)證輕負(fù)載升速（電子副鉤）功能

觀察抱閘時(shí)序控制正常后再安裝好主軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)定速度由低速到高速的步驟運(yùn)行。帶負(fù)載調(diào)試時(shí)，堅(jiān)持由輕負(fù)載到重負(fù)載的步驟調(diào)試，同時(shí)注意觀察變頻器運(yùn)行電流及電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。通過修改P8組（增強(qiáng)功能組）中的輕負(fù)載升速使能參數(shù)，驗(yàn)證吊重物時(shí)0-50HZ之間運(yùn)行，空鉤時(shí)0-100HZ之間運(yùn)行。

（5）調(diào)試波形

 

 

8   結(jié)束語

       隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能，高效率、易維護(hù)等特點(diǎn)，加之它的價(jià)格不斷下降，使其成為起重機(jī)械一種優(yōu)選的調(diào)速方案。但是，要使變頻器成功地應(yīng)用于起重機(jī)調(diào)速，就必須針對起重機(jī)的特點(diǎn)，計(jì)算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時(shí)采取特殊技術(shù)措施，以保證變頻調(diào)速的起重機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。

 

參考文獻(xiàn)：

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