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，為交流異步電動機(jī)驅(qū)動的起重機(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：
●采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機(jī)由于變頻器驅(qū)動的電動機(jī)機(jī)械特性硬，具有精確定位的優(yōu)點(diǎn)，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)起重機(jī)負(fù)載變化時電動機(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；
●變頻起重機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起、制動平緩，運(yùn)行中加、減速時整機(jī)振動和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長了起重機(jī)機(jī)械部分的壽命；
●機(jī)械制動器在電動機(jī)低速時動作，主鉤以及大、小車的制動由電氣制動完成，所以機(jī)械制動器的制動片壽命大為延長，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用下降；
●采用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的鼠籠異步電動機(jī)取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(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機(jī)損壞或不能起動的故障；
●交流接觸器大量減少，電動機(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作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動機(jī)損壞故障；
●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、減速時間，使得變頻起重機(jī)操作靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性好；
●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；
●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.英威騰CHV190起重機(jī)專用變頻器簡介
2.1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：
●抱閘邏輯控制與監(jiān)控、預(yù)勵磁及起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償
準(zhǔn)確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實(shí)時狀態(tài)反饋和起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，確?？刂频陌踩院涂煽啃浴ｎA(yù)勵磁功能是在啟動之前自動地對電機(jī)實(shí)行直流勵磁，以保證電動機(jī)快速地提供起動轉(zhuǎn)矩，并通過調(diào)節(jié)勵磁的時間使電動機(jī)的起動與機(jī)械制動器的釋放時間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象；
●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)行時自動使速度上升，以縮短時間來提高裝卸效率；重載時自動降低速度以確保設(shè)備和人身的安全。變頻器根據(jù)啟動后一段時間內(nèi)的平均電流值來判斷負(fù)荷的大?。寒?dāng)負(fù)載重時，變頻器自動降低輸出頻率；當(dāng)負(fù)載輕時，變頻器自動提高輸出頻率。松繩檢測功能防止在起重機(jī)繩索松弛的情況下，輕負(fù)載升速功能誤動作引發(fā)的不安全運(yùn)行；
●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)試時的安全性，便于故障診斷與維護(hù)。
●主從控制功率平衡與速度同步技術(shù)
在兩個大功率電機(jī)通過減速箱剛性連接驅(qū)動一個起升機(jī)構(gòu)時，主從控制功率平衡功能保證兩個電機(jī)出力均勻；在雙起升機(jī)構(gòu)提升一個重物時，主從控制速度同步功能保證兩個起升機(jī)構(gòu)同步提升，確保安全。
●第二電機(jī)控制及切換功能
一臺變頻器通過參數(shù)自學(xué)習(xí)可以自動存儲兩套電機(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；便于電氣傳動系統(tǒng)的控制，降低用戶成本。
●同時支持PROFIBUS-DP和MODBUS、INTERNET多種通訊協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)多個變頻器和PLC之間的通訊連接。
●危險速度監(jiān)視、快速停車及超速保護(hù)
變頻器實(shí)時監(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，變頻器發(fā)出故障報警并立即停止輸出，機(jī)械制動器動作，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：電氣制動的停車；
方式2：電氣制動加機(jī)械制動的停車；
方式3：機(jī)械制動的停車。
●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。
2.2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。
3.方案設(shè)計(jì)
3.1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，它們要用所傳動電動機(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，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，變頻器與電動機(jī)之間的敷設(shè)距離長，則線路壓降大，有時產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足。特別是變頻器輸出頻率較低時，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機(jī)的電纜的長度總和。
3.2控制回路
變頻器的控制信號為微弱的電壓、電流信號，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。
3.3再生能量的處理
當(dāng)采用變頻器傳動的起升機(jī)構(gòu)拖動位能性負(fù)載下放或行走機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時，異步電動機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機(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，這種方式稱為動力制動；
(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。英威騰推出的DBU型能耗制動單元和RBU型能量回饋單元的具體參數(shù)可參見說明書。
4.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
4.1 125T-35M門座式起重機(jī)的主要參數(shù)
(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
--起升速度：吊鉤額定25m/min；抓斗額定50m/min；空載60m/min；
--旋轉(zhuǎn)速度：0.8（幅度30-35m）/1.2（幅度10-30m）rpm；
--變幅平均速度：45m/min；
--行走速度：25m/min；
(5)電源：3相380V，50Hz
(6)整機(jī)工作級別：A8
4.2電氣傳動單線圖
4.2.1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160KW變頻電機(jī)驅(qū)動，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；制動單元為DBU-315-4，制動電阻：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。
4.2.2俯仰機(jī)構(gòu)
俯仰機(jī)構(gòu)由1臺132ＫＷ變頻電機(jī)驅(qū)動，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；制動單元為DBU-315-4，制動電阻：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。
4.2.3大車機(jī)構(gòu)
大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由4臺11KW變頻電機(jī)驅(qū)動，和支持機(jī)構(gòu)共用一臺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，變頻器接收到轉(zhuǎn)換信號后自動切換到相應(yīng)電機(jī)組參數(shù)。
4.2.4回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)
回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由2臺30ＫＷ變頻電機(jī)驅(qū)動，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；制動單元為DBU-220-4，制動電阻：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)載起制動平滑和運(yùn)行的穩(wěn)定性。
4.3系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)
●可靠的抱閘邏輯控制，同時抱閘時間可調(diào)，在保證不溜鉤的同時，也避免了電機(jī)的大沖擊電流。
●高性能的閉環(huán)矢量控制，在零速時可輸出180%的額定轉(zhuǎn)矩長達(dá)10S。增加了系統(tǒng)的可靠性。
●提升機(jī)械采用輕負(fù)載升速（電子副鉤）功能，吊重物時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；
●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。
●多電機(jī)并聯(lián)后，變頻器自動辨識參數(shù)，建立有效的數(shù)學(xué)模型；控制精度非常高。
●單臺變頻器切換控制2組電機(jī)，自動辨識并存儲兩組電機(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。
●可調(diào)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)精確控制。
5.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。
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