交流变频调速技术在天车的改造

1交流变频调速技术在天车的改造（一）前言1、交流电动机传统调速控制技术介绍随着我国工业生产的快速发展，对起重机调速性能要求在不断提高，由于起重机使用的电动机都是三相异步绕线式电动机，调速的方法比较单一，对起重机使用的绕线式电动机传统的调速方法有以下几种：定子调压调速——控制加于电动机定子绕组的电压：当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值较大的绕线式电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。在电子的调压调速技术诞生之前，这两种方法是在定子调压中主要使用的方法。绕线式异步电动机转子串入附加电阻调速：绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。这种方法是使用最为广泛的一种调速方法，目前还有很多起重机在使用这种方法。绕线转子异步电动机转子串电阻调速，缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，而且调速系统的综合技术指标较差，对机械的冲击很大，已不能满足工业生产的特殊要求，特别是象我厂这样的冶金企业。2、交流变频调速技术的发展及优势随着电力电子技术、微电子技术和控制理论的发展，电力半导体器件和微处理器的性能不断的提高，交流变频驱动技术也得到了飞速的发展，应用越来越广泛，作为交流调速系统中重要部分的变频器技术也取得了显著的发展，并逐渐进入了实用阶段。目前，变频器不但在传统的电力拖动系统中得到了广泛的应用，而且几乎扩展到了工业生产的所有领域，并且在许多的家电产品中也得到了广泛的应用，例如像变频空调、变频微波炉、变频电冰箱等。通过改变交流电频率的方式实现交流电控制的技术就叫变频技术。而变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用2的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。利用变频器控制对交流电动机进行控制相对传统控制有许多的优点：如节能；容易实现对现有电动机的调速控制；可以实现大范围内的高效连续调速控制；容易实现电动机的正反转切换；可以高频度的起停运转；可以进行电气制动；可以对电动机进行高速驱动；可以适应比较恶劣的工作环境；用一台变频器对多台电动机进行调速控制；变频器的电源功率因数大，所需电源容量小，可以组成高性能的控制系统等。在采用了变频器的交流拖动系统中，异步电动机的调速控制是通过改变变频器的输出频率实现的。因此，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围内，使电动机获得较宽的调速范围，并可达到提高运行效率的目的。变频器驱动系统是通过改变变频器的输出频率来达到调速目的的，当变频器把输出频率将至电动机的实际工作频率以下时，负载的机械能将被转换成电能，并回馈到变频器，而变频器则可以利用自己的制动回路将这部分能量以热能消耗或回馈给电网，并形成电气制动。与传统的机械制动相比，电气制动可靠性好、维护简单、对机械系统有较好的保护。但是应该注意到一点，由于在静止状态下，电气制动并不能使电动机产生保持转矩，所以在某些场合还必须与机械制动器配合同时使用。在使用电网电源对异步电动机进行起动是，电动机的起动电流会很大，通常为额定电流的3～5倍，而采用变频器对异步电动机进行起动时，由于可以将输出频率将至一个很低的值起动，电动机的起动电流很小，对电机会起到较好的保护。可以看出随着交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的桥式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是桥式起重机交流调速技术发展的主流。（二）起重机的简介1、80/20T起重机的结构与特点80/20T桥式起重机是炼钢厂经常使用的一种适用于液体金属的起重机，起升高度可达24m，主起升最大起吊重量为80T，副起升的最大起吊重量为20T。该车采用“四主梁3结构”，一般由起升机构、小车走行机构、大车走行机构组成。小车部分分为主小车部分和副小车部分。主小车部分包括：主起升运行系统和主小车运行系统；副小车部分包括：副起升运行系统和副小车运行系统。起重机大车运行机构的驱动方式采用四机构驱动，即大车两侧各有两台电动机和减速机，分布在大车的四个角，每个主动车轮各用一台电动机驱动，使用变频器控制时就要采用一拖二的控制方式，整车共需两台变频器，桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式。本车的电动运行机构由五个基本独立的拖动系统组成。①大车拖动系统：拖动整台起重机顺着车间做“横向”运动（以操作者的坐向为准）。②主小车拖动系统：拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。③副小车拖动系统：拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。④主吊钩拖动系统：拖动重物作吊起或放下的上下运动。重物在空中具有位能，是位能负载。其特点是：重物上升，电机克服各种阻力（包括重物重力，磨擦阻力等）做功，属于阻力负载；重物下降时，当重物重力大于阻力时，电机是能量的接受者，此时负载属于动力负载，但当重物重力小于阻力时，重物下降还要靠电机的拖动，此时负载仍是阻力负载。⑤副吊钩拖动系统：同主起升部分是一样的，只是吊运的重量不同。相对于提升机构控制，桥式起重机在大车拖动以及小车拖动方面对于变频器的控制要求比较低，所以本文重点介绍安川系列变频器在提升（主起升系统）机构控制上的应用并且对平移（大车系统）机构的设计进行了介绍。提升机构的运转具有大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比，对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。2、80/20T运行特征(1)桥式起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩；(2)由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序；(3)当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向直流电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量；(4)起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。（三）起升机构组成1、起升机构电动机电动机型号：YTSP355M-10110KW4转速:600r/min；定子电流：215A调速频率范围：0～50HZ为了满足80T变频调速桥式起重机的安全稳定的运行，选择电动机应满足的要求:具有高启动转矩、低速满转矩、高绝缘等级、宽调速范围、高效率和高可靠性等。起升、大车和小车运行机构的驱动电动机均选用变频调速三相异步电动机，经过载荷换算和机械效率计算各运行机构驱动电动机的数据如下:电机容量的选择P≧GV/6120η该起重机的起升速度是每分钟10米，机械效率是0.7电机容量＝（8000KG×10m）/（6120×0.7）＝186KW考虑到电机的自身损耗和其他损耗，以及对变频器选择方面的考虑，我们选取两台功率为110KW的电动机作为主起升机构的驱动电机。2、起升机构变频器为了能满足行车式起重机运行特点，即具有高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制等功能的高性能工程型变频器，变频调速系统由主令控制器或电位器作为输入给定，通过变频调频电控设备、限位开关、制动器等配合使用，来控制起重机的起升机构等交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调速。我们选用的是安川CIMR-G7电流矢量控制变频器。下面就变频器容量的选择做以下介绍：变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即:P0=K×PM/η×cosφ式中:K—过载系数1.33；PM—负载要求的电动机轴输出功率，kW；η—电动机效率0.85；cosφ—电动机的功率因数0.9。起升机构要求的起动转矩为1.3～1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6～2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60s、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。经过计算，我们得出每台变频器的容量为175KW，故，选择的变频器为安川CIMR-G7180KW变频器，共用两台。在变频器容量选定后，还应做电流验证，即:ICN≥kIM5式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05～1.1)；ICN—变频器额定输出电流，A；IM—工频电源时的电动机额定电流，A；80T变频调速行车式起重机是双驱动的起升机构，起升机构由两台电动机驱动一台减速机，带动两个钢丝绳卷筒进行转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。该车的减速机为行星式差速减速机，在一台电机出现故障时，可以单独使用另一台电机进行正常的吊运工作。图2为安川变频器外部接线图；图3为起升机构变频器控制回路运行原理图；图4为主回路运行原理图。图2安川变频器外部接线图6图3起升机构控制回路运行原理图图4起升机构主回路运行原理图3、工作原理变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均7可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成，图5和图6所示为典型的变频器主回路和控制回路原理图。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。图5变频器主回路原理图图6变频器控制回路原理图变频器选择从控制回路端子输入运转频率指令，运转指令由主令控制器提供。通过主令控制器的触点闭合顺序，将控制信号输入到变频器的多段速端子1、2、5、6、7、8，其中1、2端子是正反向控制信号，5、6、7、8端子是调速信号，为了和主令控制器闭合表相对应，选择使用：频率指令1、频率指令2、频率指令4、频率指令8和点动频率。之后，要进行参数设置，对起升机构的参数设置，和平移机构是有很大不同的，主要涉及到重物在吊运过程中的零速度力矩的问题。所以，在进行一些必要参数设置的同时，对电动机零速度和低速度下，重力负载曲线的设置是必不可少的。起升机构变频器参数的设置主要有以下几方面：驱动方式设置、制动停车方式设置、多段速运行频率设定、电动机的电压和频率选择的设定、重力负载曲线的设置、电动机保护的设置、低速8度高转矩的频率设置等。在对参数设置完成后，由控制器给入输入信号后，变频器便根据设定好的频率和参数进行工作，起升机构采用一拖一的开环V/f控制方式控制方式，可以满足生产实践的需要。在图纸可以看到这样一个继电器，它称为：固态继电器。加装它的原因是因为变频器的多功能输出点（M1、M2）功率不够大，直接驱动抱闸接触器（ZDC）容易造成输出点的损坏。通过它来控制制动器接触器，延长了变频器内部接点的使用寿命。在变频器电源输入端子（R、S、T）和电源之间，配有断路器Q1和AC电抗器。其中断路器Q1的容量为变频器额定电流的1.8倍，感应电流在30mA以上,可以检出对人体有危险的高频漏电流，防止事故的发生；而其AC电抗器和变频器内的电抗器以及输出侧的滤波器可有效改善电源侧的功率因数，降低对外界的干扰。另外，在制动器接触器侧为了安全考虑，也安装了断路器Q2，来给制动器接触