变频调速在起重机中的应用

在调速方法中，变频调速（通过改变电动机电源频率来改变电动机的速度）的调速范围大，平滑高，变频时同时改变定子外加电压，可实现恒功率或恒转矩调速以适应不同负载的要求，低速时特性的静差率较高，调速的效率和功率因数高，是异步电动机调速方法中Zui有发展前途的一种。其缺点是必须有专用的变频电源，在恒转矩调速时，低速段电动机的过载倍数大为降低，甚至不能带动负载。长期以来由于缺乏理想的变频电源，影响了变频调速的应用。直到晶闸管以及大功率晶体管等半导体电子器件问世以后，由于它们具有理想开美元件的性能（通态压降小、断态阻抗大、开关速度快等），促进了各种静止变频器的飞速发展。60年代以来，各种类型的变频调速装置相继出现，并迅速得到推广应用。特别是半导体器件制造工艺的成就与微电子技术相结合，促使变频装置向大容量、高性能发展。日前，国外生产的变频装置容量巳达1万kw以上，交流电动机的变频调速系统已具有调速范围觉调速精度高等特点，而且价格和性能可与直流拖动相比拟。l  传统的起重机控制系统存在的问题     传统的起重机驱动方案一般采用：①直接起动电动机；②改变电动机极对数调速；③转于串电阻调速；④涡流制动器调速；⑤可控硅串级调速；⑥直流调速。     前4种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速；且低速就位性能差，长期低速运行会引起电阻器、涡流制动器严重发热；起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.2－0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。     可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统的数字化，因而在保护功能及系统监控方面还有待于发展。     直流调速系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，但必须采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。     变频调速技术发展到今天已完全克服了上述不足，同时，对电动机要求不高，采用普通鼠笼型异步电动机即可（绕线型异步电动机也适用）。该电机制造工艺简单，使用维护方便，无论是在起重机老产品改造还是新产品设计，变频调速都是优选方案。     近年来生产的高性能变频调速装置具有以下特点：电网适应性强，起动转矩和低速转矩高，速度响应快，速度控制范围宽，可进行直接转矩控制；丰富的开关量及模拟量输人输出便于用户使用；完善的保护功能如过压、过流、接地、输人输出缺相、过热等保护；加减速曲线可选，加减速时间可调，提供多种制动方式以及系统监控功能；电机参数自动测试，输人功率因数高达0．95以上，效率高达 9？％以上。尤其是矢量控制技术及直接转矩控制技术的应用，使交流电动机具有了比直流电动机更好的动态特性，变调速装置的先进性能特别适用于起重机的恶劣工况，对改善起重机的调速性能、提高工作效率和功率因数、减少起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。2  变频调速装置的选用     目前变频调速器已发展了几代，市场上变频调速装置也很多，根据目前国内起重机领域的使用情况，笔者认为以下几种产品较适于在起重机上使用。     德国ABB公司生产的ACS600系列变频器：该系列产品采用了Zui优的电机控制方法——直接转矩控制技术（DTC），它可以对所有交流电动机的核心变量进行控制，并把定子磁通、转矩作为主要控制变量。高速信号处理器与先进的电机软件模型相结合使电机状态每秒钟更新4万次，对负载的变化和瞬时掉电，能做出迅速响应。其开环控制精度可以达到闭环矢量控制的精度（0．1％－0．5％），开环转矩阶跃上升时间小于5毫秒，约为矢量控制的1／20，起动转矩可达200％，并具有有效的磁通制动来提供Zui大可能的制动力矩。尤其它还提供了提升机应用宏程序，它具有提升机应用所需的全部控制和安全功能，模块化功能可确保提升机安全快速运行、故障处理容易、维护简单，DTC控制技术使操作者便于控制速度和转矩，该装置与传统的主令开关配合使用，操作非常方便。     法国施耐得公司生产的ATV66系列变频器：ATV66是法国 TE品牌和美国SquareD品牌的结合，两的综合优势使ATV66在欧美市场风靡一时。它除具有其他变频器的优点外，还具有一个特殊功能——制动顺序功能。该功能包括起动控制和制动控制两部分，起动控制主要用于位能性负载，提供松闸控制确保松问时变频器已建立力矩，可设置松闸电流、松闸频率、松闸动作延时。制动控制适用于带停车制动的场合，提供抱闸控制和直流注人制动。用于调节制动的平滑度，可设置抱闸频率、抱闸动作延时以及制动直流的注人电流和时间，这对改善起重机起制动性能非常有益。     此外，日本安川公司生产的VS－616G5系列变频器，德国西门子公司生产的6SE70系列产品等都是高性能产品，在起重机上都有成功的应用，都是可选产品。     通常用变频器的输出电流作为选择条件。以驱动单台电动机为例进行计算，变频器铭牌的输出电流 IINV应满足下列两式：IINV＞Ied
IINV＞K0I0/Kg     式中：Ied——电动机额定电流；I0——电动机Zui大工作电流，为静载电流和动载电流之和。当负载要求全压起动时，为电动机起动电流；K0——安全系数，重复短时工作制一般为1.0—1.1;Kg——变频器允许过载倍数，见使用手册。     当认为所需变频器容量过大时，可适当延长起动时间，减少动态电流值。在选择变频器时，还应考虑它所提供的制动能力，通常变频器本身具有制动能力，一般在短时间内提供20％额定值的制动力矩，在起升机构中需较大制动力矩，则应考虑增加制动单元和制动电阻。3  电动机的选用    用在变频调速系统中的电动机其输出能力受以下几方面的影响：   （1）在低速运行时由于风扇冷却效果减弱，使电动机允许输出功率下降；   （2）变频器输出电源中含有一定量的高次谐波，它会使电动机内部产生谐波损耗，出力下降，并会增加运行中的噪音。    为此，在进行电动机发热校验时应考虑上述因素的影响。发热校验按下式：P’＝KP     式中：P——发热校验时要求的电动机功率；P’一一考虑变频器影响后要求的电动机功率；K——增容系数，重复短时工作制一般场合K＝ 1.05— 1.1。     在用于驱动恒转矩负载的场合，应重新对电动机的起动能力进行校核，保证在工作范围内任何点；时电动机都可顺利起动。     在无超同步调速要求的场合，一般以选用YZ（起重冶金型）系列或YZF（强迫风冷起重冶金型）。为佳。在有超同步调速要求的场合，需采用变频专用电动机。5  起重机的变频调速电路及注意事项     起重机的负载性质有两种，一种是干移负载（行走负载），一种是位能负载（升降负载），因而其制电路也因负载性质而不同，设计电路时应注意负载性质。主电路应加人快速熔断器用于保护变频器的输人整流桥不被内部短路故障而损坏。在位能负载控制电路中还应加人制动斩波器和制动电阻，这样可通过电阻制动，有效地实现电机的制动和减小减速时间，保证重物就位的可靠性。当变频器的中间直流电路的电压超过特定的极限值，制动斩波器和制动电阻就开始工作。升降电路的变频器应尽量选用具有起重机应用宏程序的产品，实现起重机的零位保护、过载保护、行程极限保护并实现各种故障监控及报警。干移电路的变频器选用通用型即可。另外，在电网条件不太好时，例如，变频器的投切或电力电容的投切可能会产生过峰值电流时，还应在输人端加人输人电抗器，以抑制峰值电流，同时降低电动机噪音。