變頻調(diào)速在起重機械中的應(yīng)用

1、變頻調(diào)速在起重機械中的應(yīng)用    摘要：本文從拖動系統(tǒng)的機械特性入手，分析了起重機械采用變頻調(diào)速技術(shù)其機械特性在四象限運行的工作特點，闡述了變頻調(diào)速實施其技術(shù)上必須采取的相應(yīng)措施，展望了變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速起升機構(gòu)起重機械1起重機械的組成及負載特點起重機械的種類很多，其拖動系統(tǒng)的差異也較大，但基本特點則大同小異。為實現(xiàn)起重機不同運動要求，最基本的工作機構(gòu)有以下四種：即起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、行走機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)。起升摘要：本文從拖動系統(tǒng)的機械特性入手，分析了起重機械采用變頻調(diào)速技術(shù)其機械特性在四象限運行的工作特點，闡述了變頻調(diào)速實施其技術(shù)上

2、必須采取的相應(yīng)措施，展望了變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速起升機構(gòu)起重機械 1起重機械的組成及負載特點    起重機械的種類很多，其拖動系統(tǒng)的差異也較大，但基本特點則大同小異。為實現(xiàn)起重機不同運動要求，最基本的工作機構(gòu)有以下四種：即起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、行走機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)。起升機構(gòu)是主要的功能機構(gòu)，其正反轉(zhuǎn)工作變換比較頻繁，而且每次的起吊重量差別比較大，但工作時各類機構(gòu)都屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。    起重機械的起升機構(gòu)主要由電動機、減速器、卷筒等部分組成。其作用可將原動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榈蹉^的垂直升降運動

3、，實現(xiàn)吊具垂直升降的目的功能不可缺少的部分。    由于重物在空中具有位能，重物上升時，是電動機克服各種阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，屬于阻力負載；重物下降時，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，當(dāng)重物的重力大于傳動機構(gòu)的摩擦阻力時，電動機成為了能量的接受者，故屬于動力負載。但當(dāng)重物的重力小于傳動機構(gòu)的摩擦阻力時，重物仍須由電動機拖動下降，仍屬于阻力負載。    為使重物在空中停止在某一位置，在起升機構(gòu)中還必須設(shè)置制動器和停止器等控制部件。為了適應(yīng)不同吊重對作業(yè)速度的不同要求，起升速度

4、應(yīng)能調(diào)節(jié)，并具有良好的微動控制性能。微動速度一般在0.250.4m/min范圍。    通過對起升機構(gòu)分析不難發(fā)現(xiàn)，其工作中的主要有三種轉(zhuǎn)矩：    （1）電動機的轉(zhuǎn)矩TM，即由電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是主動轉(zhuǎn)矩，其方向可正可負;    （2）重力轉(zhuǎn)矩TG，即由重物及吊鉤等作用于卷筒的轉(zhuǎn)矩，其大小等于重物及吊鉤等的復(fù)合重量G與卷筒半徑r的乘積：TG=G·r     TG的方向永遠是向下的。   

5、 （3）摩擦轉(zhuǎn)矩T0，即由于減速機構(gòu)的傳動比較大，減速機構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩（包括其他損失轉(zhuǎn)矩）不可忽視。摩擦轉(zhuǎn)矩的特點是，其方向永遠與運動方向相反。2變頻調(diào)速的基本原理與電動機的機械特性2.1變頻調(diào)速的基本原理    一般三相異步電動機調(diào)速方法有：（1）改變磁極對數(shù)p來改變電機轉(zhuǎn)速，所得到的轉(zhuǎn)速只能是3000、1500、1000，為有級調(diào)速；（2）改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速，常用的方法是改變定子電壓調(diào)速和滑差電機調(diào)速，該方法轉(zhuǎn)子損耗較大，效率低；（3）改變定子電源頻率f1，其調(diào)速屬于改變同步轉(zhuǎn)速n1調(diào)速，由于沒有人為的改變s，轉(zhuǎn)子中不產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)差功率損耗，所

6、以效率高。其是一種較為理想的調(diào)速方法，但變頻調(diào)速需要較復(fù)雜的控制電路組成。     由于交流電的頻率，T為交流電的周期。變頻調(diào)速就是改變逆變器輸出交流電壓的周期，就可以改變交流電壓的頻率f。所謂改變周期，實際上是在控制電路上采用晶閘管，通過改變晶閘管的導(dǎo)通時間，實現(xiàn)交流電周期的改變。導(dǎo)通時間越短，輸出交流電壓周期越短，頻率越高。即從控制上，用改變晶閘管門極驅(qū)動信號的頻率控制逆變器輸出電壓的頻率f1，從而實現(xiàn)電動機工作速度的調(diào)節(jié)。2.2電動機變頻調(diào)速的機械特性    起重機械各部分的拖動系統(tǒng)，一般都需要調(diào)速

7、，在變頻調(diào)速問世之前，已經(jīng)發(fā)明了多種調(diào)速方法，獲得了廣泛的應(yīng)用。例如：增大或改變轉(zhuǎn)子回路內(nèi)電阻的調(diào)速、電磁調(diào)速電動機等等。比較常見的是采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，調(diào)速方法是通過滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入若干段電阻，由接觸器來控制接入電阻的多少，從而控制了轉(zhuǎn)速。 n = n0 - k （ Ra + Ri ） T     式中，n電動機的輸出轉(zhuǎn)速；    n0 電動機理想空載轉(zhuǎn)速； &

8、#160;  k比例系數(shù)；    Ra電樞電阻；    Ri回路內(nèi)串電阻；    T 電樞電流切割磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。    由于回路內(nèi)串電阻的存在，其電動機的機械特性變軟，輸出速度降低；而機械特性越軟，電動機的負載能力越差。    電動機采用變頻調(diào)速，一方面可以實現(xiàn)節(jié)能，另一方面可以保持較硬的機械特性，負載能力較好。下面就起升過程中的電動機工作狀態(tài)說明變頻調(diào)速對

9、機械特性的影響情況。    （1）重物起吊上升時，其旋轉(zhuǎn)方向與電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相同，即電動機受正向轉(zhuǎn)矩作用，其機械特性在第1象限，工作點為A點，轉(zhuǎn)速為n1；    當(dāng)通過降低頻率而減速時，在頻率剛下降的瞬間，機械特性已經(jīng)切換至曲線了，工作點由A點跳變至A點，進入第二象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)榉捶较虻闹苿愚D(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速短時下降，并重新進入第一象限，至B點時，又處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，B點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉(zhuǎn)速已降為n2。    （2）空鉤（包括輕載）下降時，吊鉤自身是不能下

10、降的，必須由電動機反向運行來實現(xiàn)。此時電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負的，故機械特性曲線在第三象限，工作點為C點，轉(zhuǎn)速為n3；    當(dāng)通過降低頻率而減速時，在頻率剛下降的瞬間，機械特性已經(jīng)切換至曲線、工作點由C點跳變至C點，進入第四象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)檎较?，以阻止吊鉤下降，所以也是制動轉(zhuǎn)矩，使下降的速度減慢，并重新進入第三象限，至D點時，又處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，D點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉(zhuǎn)速為n4。    （3）重載下降時，重物將因自身的重力而下降，電動機的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)（下降）的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，

11、是正方向的，其機械特性工作點為E點，轉(zhuǎn)速為n5。這時，電動機的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不斷加速、達到使重物勻速下降的目的。在這種情況下，摩擦轉(zhuǎn)矩將阻礙重物下降，故重物在下降時構(gòu)成的負載轉(zhuǎn)矩比上升時小。 2.3電動機變頻調(diào)速與原拖動系統(tǒng)調(diào)速的機械特性比較     （1）重物上升時，兩種調(diào)速方式其機械特性都在第一象限，曲線表示變頻調(diào)速時的機械特性，轉(zhuǎn)速為nl。曲線表示通過轉(zhuǎn)子電路串入電阻來實現(xiàn)調(diào)速時的機械特性，即電壓調(diào)速。從兩條曲線可以看出，工作點由A點對應(yīng)A點，電動機的轉(zhuǎn)矩大為減小，拖動系統(tǒng)因帶不動負載而減速，直至到達B點時

12、，電動機的轉(zhuǎn)矩重新和負載轉(zhuǎn)矩平衡，工作點轉(zhuǎn)移至B點，轉(zhuǎn)速為降n2，負載能力相對于變頻調(diào)速變化明顯。    （2）輕載下降時兩種調(diào)速方式其工作特點與重物上升時相同，只是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負的，機械特性在第三象限。    （3）重載下降時，原拖動系統(tǒng)的電動機從接法上說，是正方向的，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也是正的。但由于在轉(zhuǎn)子電路中串入了大量電阻，使機械特性傾斜至如曲線所示。這時，電動機產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)矩比重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小，非但不能帶動重物上升，反而由于重物的拖動，電動機的實際旋轉(zhuǎn)方向是負的，其工作點在機械特性向第四象限的延伸線上，如圖中E點

13、所示，這時，轉(zhuǎn)速為n5。這種工作狀態(tài)的特點是：電動機的轉(zhuǎn)矩是正的、卻被重物“倒拉”著反轉(zhuǎn)。解決這種現(xiàn)象的途徑只能是選擇較大的功率，這無形便增加了設(shè)備成本。    與變頻調(diào)速方式相比較，在重載下降時，兩種調(diào)速方法的工作點都在第四象限，但電動機的工作狀態(tài)是不同的。3采用變頻調(diào)速需要注意的問題    （1）重物起吊時起動轉(zhuǎn)矩Ts較大，通常在額定轉(zhuǎn)矩 TN的150以上?？紤]到在實際工作中可能發(fā)生的電源電壓下降以及短時過載等因素，一般情況下，起動轉(zhuǎn)矩 Ts應(yīng)按照額定轉(zhuǎn)矩TN的150180來進行選擇：Ts&

14、#160;= （ 150%  180 % ） TN     （2）起升機構(gòu)工作過程中，在重物剛離開泊位上升的瞬間以及在重物剛到達新泊位下降的瞬間，負載轉(zhuǎn)矩的變化是十分激烈的，應(yīng)引起注意。    （3）起升裝置在調(diào)整纜繩松弛度時，以及移動裝置在進行定位控制時，都需要點動運行，應(yīng)充分注意點動時的工作特性。     （4）在重物開始升降或停止時，要求制動器和電動機的動作之間，必須緊密配合。由于

15、制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要一定的時間（約6s），而電動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失是在通電或斷電瞬間就立刻反映的。因此，兩者在動作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動機已經(jīng)通電，而制動器尚未松開，將導(dǎo)致電動機的嚴(yán)重過載；反之，如電動機已經(jīng)斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。4起重機械變頻調(diào)速采取的措施 4.1選擇合適的變頻器容量    在起重機械中，因為升、降速時的電流較大，應(yīng)求出對應(yīng)于最大起動轉(zhuǎn)矩和升降速轉(zhuǎn)矩的電動機電流。4.2溜鉤的預(yù)防措施     起升機構(gòu)中，由于

16、重物具有重力的原因，如沒有專門的制動裝置，重物在空中是停不住的。為此，電動機軸上必須加裝制動器，常用的有電磁鐵制動器和液壓電磁制動器等。多數(shù)制動器都采用常閉式的，即：線圈斷電時制動器依靠彈簧的力量將軸抱住，線圈通電時松開。     為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨特的制動功能，如：    （1）零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，電動機的轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的150。這就保證了吊鉤由升、降速狀態(tài)降為零速時，電動機能夠使重物在空中暫時停住，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。    （2）直流強勵磁功能變頻器可以在起動之前和停止時，自動進行強直流勵磁。使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩（可達額定轉(zhuǎn)矩的200），維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制