變頻器在雙梁橋式起重機上的應用

1．引言
       橋式起重機是工礦企業(yè)中使用十分廣泛的一種裝卸設備，由于橋式起重機的工作環(huán)境惡劣，經常需要在重載下頻繁起動、制動、正反轉、變速等操作，沖擊電流大，振動大，所以在傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制的電氣系統(tǒng)中，接觸器的觸頭因電機經常有沖擊電流而燒壞，造成維修量大，維護成本極高，造成生產線停產損失更加不可估量，且傳統(tǒng)的起重機調速系統(tǒng)的綜合技術指標較差，已不能滿足工業(yè)生產的要求。而調速性能高、工作可靠、維護方便的交流變頻調速系統(tǒng)為橋式起重機的控制提供了一種全新的方案。該方案控制線路簡單、運行穩(wěn)定、維護量小、保護監(jiān)測功能完善，且高效、節(jié)能，因此采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發(fā)展的主流。
2.橋式起重機的結構及控制
       橋式起重機是一種橫架在固定跨間上空用來吊運各種物件的設備。一般由起重小車、橋架金屬結構、橋架運行機構（大車運行機構）以及電氣控制設備等四個部分組成。其中起重小車由起升運行機構和小車運行機構組成。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過小車導電裝置（輔助滑線）、起重機總電源導電裝置（主滑線）等部分將電源輸送到中心電器上。
       橋式起重機可以實現(xiàn)重物在三維空間的垂直、橫向、縱向運動，通過大車電動機驅動沿車間兩邊的軌道作縱向前后運動；小車及提升機構由小車電動機驅動沿橋架上的軌道作橫向左右運動，在升降重物時由起重電動機驅動作垂直上下運動，如圖1所示

       傳統(tǒng)的橋式起重機一般采用繼電器-接觸器控制，電機為交流繞線式電動機，采用轉子串電阻的方法啟動和調速，如圖2所示。啟動時，升接觸器或者降接觸器吸合，電磁制動器接觸器吸合打開抱閘，調速電阻上的接觸器不動作，電機低速轉動；當需要變速時通過吸合調速電阻上的不同接觸器來改變轉子線圈的電阻值，達到改變電機的轉速。該類控制方式缺陷明顯，主要反映在效率非常低，它以增加轉差功率的消耗來換取轉速的降低。轉速越慢，效率越低，大部分功率被轉換成熱能而消耗掉。采用變頻調速方案就能很好地解決這個問題。變頻調速是通過改變定子供電頻率來達到電機調速的目的，無論轉速高低，其機械特性基本上與自然機械特性平行，所消耗的轉差功率都基本不變，因此效率很高，有著明顯的節(jié)電效果，且調速的平穩(wěn)性大大提高。在節(jié)能、減少維修、提高產品產量及產品質量等方面都取得了明顯的經濟效益，是電機調速的發(fā)展方向。，耽誤生產。

3.變頻調速系統(tǒng)選型方案
        隨著電力電子技術的發(fā)展，變頻器的性能和穩(wěn)定性得到了極大地提高，使在起重機上運用變頻器變?yōu)榱丝赡�，從而根本上解決了傳統(tǒng)橋式起重機電控系統(tǒng)的缺點。在起重設備中使用變頻調速控制必須先了解起重機各運行機構對傳動系統(tǒng)的要求。
（1）變頻器在起重機整個工作過程中的力矩特性為，啟動力矩大于2倍額定轉矩，尤其是重物在半空中時，啟動力矩比額定轉矩大得多，在低頻時必須能輸出100%以上額定轉矩。
（2）運行平穩(wěn)，加減速平滑，啟動和停止時變頻器輸出與制動器的制動轉矩必須平滑過渡，無溜鉤現(xiàn)象發(fā)生，在加減速過程中可做到加速度連續(xù)，無撞擊感。
（3）起升機構下行或緊急停車以及大小車運行機構急減速時，變頻器能給出大于額定轉矩的制動力矩，并且電機將處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器饋送能量，此時必須能將這部分再生能量處理掉。
（4）運行過程中由于道軌不平整或滾筒偶爾出現(xiàn)鋼絲繩絞繩，以及重物離開或接觸地面時會引起電機力矩的跳變，變頻器能承受這種跳變并進行平滑控制。
         針對以上起重機對變頻器的運行要求，變頻調速系統(tǒng)的主要設備將采用以下方法選擇：
3.1 變頻器容量的選擇
3.1.1 起升機構（主/副 鉤）驅動變頻器的容量P0（kVA）：
                                         P0≥K×K1×Pm/(η×cosφ)                            （1）
式中 Pm―負載所要求的電動機軸的輸出功率（kW）；
     K―電流波形的修正系數(shù)（一般為1.05 ~1.1）；
     K1―容量過載系數(shù)（一般取1.1~1.2）；
     η―電動機效率（通常約0.85）；
cosφ―電動機的功率因素（通常約0.75）；
3.1.2平移機構包括大車小車回（旋）轉機構，大多采用多臺電機傳動，因此驅動變頻器采用一拖多形式，變頻器的容量必需大于總負載需求的電流：
                                           ICN≥k×n×In                                                 （2）
式中 k―電流波形修正系數(shù)，PWM調制時取1.05~1.1；
     In―工頻時單臺電動機額定輸出電流（A）；
     ICN―變頻器額定輸出電流（A）；
     n―電動機的數(shù)量；
3.2 制動單元和制動電阻的選擇
3.2.1平移機構制動單元、制動電阻的選擇
       平移機構驅動上的制動單元、制動電阻一般按常規(guī)變頻器對制動單元、制動電阻的標準配置進行選擇。
3.2.2起升機構制動單元、制動電阻的選擇
       起升機構在下降過程中再生電能能量大，時間長，為保證變頻器正常工作需重新配置制動單元和制動電阻。
（1）電阻值RB 的計算
       RB的最小電阻值Rmin由變頻器的最大電流值I(max)和制動單元技術規(guī)格決定如下
                                            Rmin= VC /I(max)                                           （3）
為滿足制動力矩的要求，最大電阻值Rmax由最大制動功率PB(max)求得：
                                  Rmax=V2C / PB(max)= V2C /（130%×Pe）      （4）
電阻的取值范圍：
                                             Rmin＜RB＜Rmax                                        （5）
式中 VC一般為700V
Pe―電機額定功率
（2）電阻額定功率PR
                                                PR＞0.8 Pe/m                                             （6）
式中 m―電阻的功率增加率，由電阻的選型手冊查到，一般按1.5計算。
4.變頻調速系統(tǒng)設計
4.1 變頻調速系統(tǒng)的電氣設計
        現(xiàn)以江蘇溧陽某變壓器廠50T雙梁橋式起重機起升機構變頻改造為例，詳細說明起重機變頻調速的設計步驟。該起重機起升機構驅動電機采用的是YZR315S-10 的電機，功率為55KW，根據式（1）及電機參數(shù)計算得到起升機構所需的變頻器容量為95KVA，現(xiàn)采用四方電氣高性能重載性矢量變頻器A510-4T0750變頻器，該變頻器容量為98KVA，且具有超強的過載能力和啟動力矩以及多種典型宏參數(shù)可一件完成設置，內置的三相濾波器和電抗器減少了諧波，增強了抗干擾，因此非常適合起重機起升機構的工況應用，制動電阻根據式（3）到（6）求得。具體設計如圖3所示，由于不需要串電阻調速，因此要將電機的轉子短接， K1，K2為正轉反轉信號，K3，K4，K5為多段速控制信號，電磁制動接觸器控制電磁制動器的抱閘動作。

調試參數(shù)如下
按電機銘牌設置以下參數(shù)：
F2.0.00=55     電機額定功率
F2.0.01=380    電機額定電壓
F2.0.02=123.3   電機額定電流
F2.0.03=50     電機額定頻率
F2.0.04=580    電機額定轉速
設置F2.2.53=1，然后按下運行鍵FWD，變頻器將進行電機參數(shù)識別，識別完后按以下參數(shù)設置變頻器
F0.1.22=3.5    下限頻率設置為3.5HZ
F0.2.29=10    主鉤一速頻率
F0.3.33=1    控制命令設置為外部端子控制
F1.0.03=8    加速時間設置為8S
F1.0.04=3    減速時間設置為3S
F1.1.13=4    載波頻率設置為4K
F1.4.39=200% 加減速電流限制水平
F1.4.42=0011  調頻限流調節(jié)器功能關閉
F3.0.00=1    DI1設置為多段速控制1
F3.0.01=2    DI2設置為多段速控制2
F3.0.02=3    DI3設置為多段速控制3
F3.0.03=7    DI4設置為正轉
F3.0.04=8    DI5設置為反轉
F3.0.05=13   DI6設置為故障復位
F3.1.12=6    DO1輸出設置為故障輸出
F3.1.21=71   TA-TC輸出設置為抱閘輸出
F3.1.27=0    監(jiān)控器1監(jiān)控變量設置為輸出頻率
F3.1.28=0    監(jiān)控器2監(jiān)控變量設置為輸出頻率
F3.1.30=6.5   監(jiān)控器1上限值設置為6.5%（3.25HZ）
F3.1.31=6.5   監(jiān)控器1下限值設置為6.5%（3.25HZ）
F3.1.32=13   監(jiān)控器2上限值設置為13%（6.5HZ）
F3.1.33=13   監(jiān)控器2下限值設置為13%（6.5HZ）
F5.3.29=1    下限頻率作用模式為低于下限頻率時輸出下限頻率
F6.0.00=20  主鉤二速頻率
F6.0.01=30   主鉤三速頻率
F6.0.02=40   主鉤四速頻率
F6.0.06=50 主鉤五速頻率
FF.0.00=0001 允許修改FF組參數(shù)
FF.0.01=14   SDO1為減速運行過程中
FF.0.03=64   對SDO1取反 即非減速過程中
FF.0.04=27   選擇監(jiān)控器1
FF.0.05=14   減速過程中
FF.0.06=30   選擇監(jiān)控器2
FF.0.07=67   （SDO3、SDO4邏輯與即非減速過程中監(jiān)控器1有效）
FF.0.08=68   （SDO5、SDO6邏輯與即減速過程中監(jiān)控器2有效）
4.2起重機變頻調速系統(tǒng)的控制要點
       橋式起重機控制系統(tǒng)中，大車和小車一般由一臺變頻器帶多臺電機，因此變頻器采用U/F控制方式，而起升機構為一對一控制，為獲得良好的性能采用無感矢量控制模式。為使起重機在啟動和停止時，使電磁制動器與變頻器輸出轉矩平滑過渡，必須調整好電磁抱閘時序，而電磁制動器抱閘和松閘瞬間，極易產生溜鉤現(xiàn)象，不能平滑過渡。要解決這個問題主要從變頻器運行時與制動器動作的配合時序上入手，若在起重機啟動過程中制動器松閘過早，易發(fā)生溜鉤，松閘過晚，電機堵轉，變頻器易報故障，而在停機過程中，若抱閘過早，沖擊電流大，變頻器易報故障，抱閘過晚，輸出力矩小，易發(fā)生溜鉤。因此，通過以下控制要點可以很好的解決此問題：
1）起重機在啟動過程中的控制要點
       通過設定松閘頻率檢出值和檢測電流時間，在頻率到達檢出值同時，變頻器檢測輸出電流，當電流足夠大時，電機的輸出力矩能抵消重物下降力矩時發(fā)出松閘信號，使制動器電磁鐵動作松開抱閘，電流維持時間應大于電磁鐵動作時間。同時還需要有其他參數(shù)及機械上的配合；如：變頻器的加減速時間以及電磁制動器彈簧的松緊程度等。
2）起重機在停住過程中的控制要點
       設定抱閘頻率檢出值和頻率維持時間（一般大于制動器動作時間0.6S），在停機時，當變頻器輸出頻率到達抱閘頻率時，變頻器輸出抱閘信號至制動器，制動器電磁鐵斷電抱閘動作開始，此時維持一段時間，直至抱閘動作完成，然后變頻器輸出頻率降為0Hz。具體控制邏輯如圖4所示。

5.結論
        通過大量的現(xiàn)場測試，以及和該廠原有系統(tǒng)相比，調速精度高，運行平穩(wěn)，加快了裝配速度，提高了工作效率，同時實現(xiàn)了低頻軟啟動和軟停止，使系統(tǒng)啟動和停止平穩(wěn)，降低了對機械機構的沖擊，也降低了對電網的污染，使維護費用大大降低，且節(jié)能效果顯著，充分驗證的本文方案的有效性，和可行性。