門座式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究

摘 要：作為起重機系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，變頻調(diào)速系統(tǒng)的良好設(shè)計對于保證門式起重機的正常運行具有重要作用。文章首先介紹了門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式，然后具體探討了門座式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計，以期為相關(guān)技術(shù)與設(shè)計人員提供參考。

關(guān)鍵詞：門式起重機；變頻調(diào)速系統(tǒng)；設(shè)計

傳統(tǒng)的門座式起重機多選用繞線式異步電機轉(zhuǎn)子串電阻的有級調(diào)速方法，此種方式形成的起動電流較大，容易對設(shè)備產(chǎn)生異常沖擊，導(dǎo)致機械結(jié)構(gòu)部件發(fā)生損壞，嚴(yán)重時則會縮短設(shè)備正常使用年限。而變頻調(diào)速系統(tǒng)，能在較大范圍內(nèi)進行高效連續(xù)調(diào)速控制，可完成正反轉(zhuǎn)切換，可實現(xiàn)高頻度起停運轉(zhuǎn)及電氣制動，且占用電源容量較小，是一種較為理想的控制方式。因此，加強有關(guān)門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究，對于改善門座式起重機調(diào)速水平具有重要現(xiàn)實意義。

1 門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

1.1 矢量控制方式

通常的矢量控制型變頻器的數(shù)字給定分辨率能夠達到0.001Hz，高限輸出頻率可保持在120Hz～650Hz范圍內(nèi)，可在緊湊型異步電動機、恒磁同步電機、磁阻電機和標(biāo)準(zhǔn)異步電動機等電機系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用，功率范圍可控制在2.2kW～1500kW之間。在選用矢量控制變頻器時，電動機極數(shù)應(yīng)與變頻器規(guī)定極數(shù)相一致；在動態(tài)指標(biāo)相對控制較為嚴(yán)格時，或需進行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制時，或轉(zhuǎn)速精度控制較高時，應(yīng)進行轉(zhuǎn)速反饋；根據(jù)矢量控制過程原理，一臺適量控制變頻器應(yīng)單獨對應(yīng)一臺電動機，才可實現(xiàn)變頻器的矢量控制?？删_探測并調(diào)控由磁通和轉(zhuǎn)矩形成的電流是矢量控制的前提，在選用無速度反饋適量控制時，磁通和轉(zhuǎn)矩計算準(zhǔn)確性可能較差，但調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度并不會發(fā)生改變。所以，若生產(chǎn)工藝在動態(tài)性能方面要求不高，不應(yīng)隨意增大速度反饋。[1]

1.2 v/f控制方式

通常的v/f型變頻器的模擬與數(shù)字給定分辨率可分別達到0.04Hz和0.01Hz，高限輸出頻率可保持在120Hz～650Hz之間，可在恒磁同步電動機、磁阻電動機和便準(zhǔn)異步電動機系統(tǒng)內(nèi)使用。該控制方式對電力系統(tǒng)的波動范圍要求是：頻率應(yīng)為±6%，電壓應(yīng)為±15%。通用變頻器的基本控制特性為電壓頻率恒定，部分變壓器還有其他類型的控制特性曲線，用戶可依據(jù)負(fù)載狀況選擇恰當(dāng)?shù)那€。因標(biāo)量控制算法無需速度及電機模型數(shù)據(jù)，所以速度閉環(huán)可用于促進實現(xiàn)電機的速度跟蹤特性。因v/f控制自身控制技術(shù)為標(biāo)量的，這在一定程度上約束了變頻器的動靜態(tài)特征。因此，開環(huán)控制方式是其主要應(yīng)用方式。

2 門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路通常包含電抗器、斷路器、制動單元、變頻器和接觸器幾部分。工作時，操控人員利用主令控制器對電動機正反轉(zhuǎn)及速度檔位進行調(diào)整，可編程控制器在接收操控命令后實施程序運算，同時向中間繼電器線圈通電，對中間繼電器的主觸頭吸合進行控制，由此連通變頻器線路，保證電動機運轉(zhuǎn)。變頻器內(nèi)的零速信號和故障輸出信號會反饋到可編程控制器內(nèi)，零速信號用于控制器編程完成零速剎車，而故障輸出信號則用于在變頻器產(chǎn)生故障時，可編程控制器可隨時中止輸出運行命令。

2.2 變頻器選型

選擇變頻器時應(yīng)考慮以下內(nèi)容：（1）在電網(wǎng)電壓異常時，可能會對變頻器造成損傷，所以對于電網(wǎng)電壓高于變頻器限定范圍的場合，應(yīng)使用變壓器進行調(diào)整，以保證變頻器運行的安全性；（2）在工作溫度長時間較高的條件下，若變頻器安置在通風(fēng)冷卻較差的機柜內(nèi)時，會縮短變頻器使用壽命，對于電解電容器等部件在高于限定溫度條件下，每增大10℃則使用壽命會相應(yīng)降低50%。所以工作環(huán)境溫度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，除安置有效的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以確保變頻器安全運行，在選型時還應(yīng)盡量增大一個容量等級，以確保在額定運行時，溫升會適當(dāng)降低；（3）對于通用變頻器選用v/f常數(shù)控制方式即可滿足使用要求，對于負(fù)載范圍較大，且工作精度要求較高的，尤其是在低速運行時要求具有恒定負(fù)載性能及速度的，則應(yīng)選用矢量變頻器。[2]

本系統(tǒng)工作環(huán)境溫度一般保持在0～40℃范圍內(nèi)，依據(jù)變頻器選用原則，可使用Varispeed G7系列變頻器。此種變頻器可進行停止型自學(xué)習(xí)，采用無PG矢量2控制，即便在沒有PG狀態(tài)下也能進行力矩控制，且能對電機上的沖擊電壓進行良好抑制。起升機構(gòu)采用G7A4132型變頻器，最高適用電機容量可達到132kW，變幅機構(gòu)采用G7A4045型變頻器，最高適用電機容量可達45kW。起升與變幅機構(gòu)都選用適量控制方式，一臺變頻器對應(yīng)一臺電動機。

2.3 可編程控制器選型

可編程控制器是一種基于微處理器技術(shù)，結(jié)合自動控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)形成的通用工業(yè)自動控制設(shè)備?？删幊炭刂破髦饕赏ㄐ沤涌凇⒋鎯ζ?、智能接口模塊、中央處理單元、編程裝置、通信接口等部分構(gòu)成。為保證系統(tǒng)可靠性，設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾點：（1）做好系統(tǒng)失壓保護；在起重機裝卸場地，供電水平通常較低，低電壓、波動、干擾等異常情況多發(fā)，其都會影響可編程控制器的運行。雖然多數(shù)可編程控制均具備較強的電源適應(yīng)能力，但選用高性能的穩(wěn)壓電源可大幅度增加系統(tǒng)可靠性；在程序開發(fā)時，還應(yīng)考慮失壓狀態(tài)下系統(tǒng)初始狀態(tài)的恢復(fù)與聯(lián)鎖；（2）應(yīng)保證輸出模塊負(fù)荷存在一定余地，減小輸出端口負(fù)荷的基本方式是在模塊內(nèi)布置相應(yīng)的功率放大環(huán)節(jié)，也就是采用保持功率與吸合功率都較小的中間繼電器實施切換；（3）應(yīng)加強對輸出模塊的外電路保護，為避免由于外電路短路問題導(dǎo)致輸出端口損傷，應(yīng)在輸出口安置短路保護裝置。設(shè)計可選用歐姆龍C200HE系列可編程控制器，該種控制器包含一個CPU模塊、一個電源模塊、四塊輸出模塊和六塊輸入模塊。[3]

2.4 電動機選型

門座式起重機的變幅電動機和起升電動機工作要求相對較高，應(yīng)盡量選用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機。變頻電動機主要采用PWM調(diào)制電壓波實施傳動，在無輸出濾波器的系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生大量的高次諧波，此類諧波容易對電動機運行產(chǎn)生干擾，引發(fā)電動機發(fā)熱。所以在設(shè)計變頻電動機時應(yīng)保證有良好的冷卻風(fēng)道。另外，因變頻電動機可在零速狀態(tài)與低頻狀態(tài)工作，電動機風(fēng)道難以進行熱量交換，所以大功率變頻電動機應(yīng)設(shè)置冷卻風(fēng)機。

2.5 選擇恰當(dāng)?shù)闹苿訂卧c制動電阻

設(shè)計科選用直流制動、再生制動與電磁機械制動組合方法。為保證制動單元內(nèi)功率管不會被沖擊，制動電阻應(yīng)依據(jù)以下公式進行計算：

其中P表示電機功率，Uc表示制動時母線上的電壓，R表示制動電阻。若變幅機構(gòu)選用兩組CDBR-4045制動單元進行并聯(lián)運行，則各制動單元的制動電阻應(yīng)控制在8Ω左右。

3 結(jié)束語

變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量直接關(guān)系到門座式起重機的運行質(zhì)量及經(jīng)濟效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強有關(guān)門座式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計研究，總結(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計要點及關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計措施，以逐步提升變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用水平。

參考文獻

[1]秦凡.門座式起重機變幅機構(gòu)的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)，2010，5（35）：57-58.

[2]趙曉明，鮑春宇.變頻器在門座式起重機控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機與控制應(yīng)用，2011，6（10）：61-62.

[3]徐德麟，胡申明，沈 .變頻技術(shù)簡介及安川起重機電控系統(tǒng)應(yīng)用[J].港口科技，2012，13（14）：74-75.

作者簡介：董錦昭（1987-），男，河北唐山人，學(xué)歷：本科，工作單位：曹妃甸港集團股份有限公司，技術(shù)保障科科長，研究方向：設(shè)備管理。