變頻調(diào)速給起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用帶來的影響課件

1、武 漢 理 工 大 學(xué)胡吉全變 頻 調(diào) 速 技術(shù)給 起 重 機(jī)節(jié)能 設(shè) 計(jì)和 使 用 帶 來 的 影 響 報(bào)告內(nèi)容：起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題變頻調(diào)速對起重機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)和使用的影響一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題 任何起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中都會(huì)有起動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行和制動(dòng)減速等運(yùn)行狀態(tài)。這些狀態(tài)的改變會(huì)給起重機(jī)的工作帶來多方面的影響，如：工作效率、慣性載荷、沖擊載荷、穩(wěn)定性狀態(tài)等。起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變是通過調(diào)速來實(shí)現(xiàn)的。從某種程度講，起重機(jī)的發(fā)展史也是調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展史。 一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題1. 起重機(jī)調(diào)速的現(xiàn)實(shí) 起重機(jī)調(diào)速的現(xiàn)實(shí)主要有兩種方法： 1) 一種是通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)

2、比來實(shí)現(xiàn)工作 機(jī)構(gòu)速度的改變，如采用齒輪變速箱調(diào)速； 2) 另一種就是通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速 來實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)速度的改變，這也是現(xiàn)代起重機(jī)中最常用的電機(jī)調(diào)速方法。一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題 2.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)主要有直流傳動(dòng)和交流傳動(dòng)。 直流傳動(dòng)系統(tǒng)中的直流電機(jī)可在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過載能力，具有良好的調(diào)速特性和機(jī)械特性，特別適用于起重機(jī)械的工作作業(yè)，但由于直流電獲得比較麻煩，目前起重機(jī)更多的采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題2.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法 交流電機(jī)的調(diào)速方式有很多，從異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式： 看出，可以改變下列三個(gè)參數(shù)來調(diào)節(jié)電

3、機(jī)的轉(zhuǎn)速。 （1）改變定子繞組的極對數(shù) p，稱為變極調(diào)速； （2）改變供電電源的頻率 f，稱為變頻調(diào)速； （3）改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題3.變頻電機(jī)的調(diào)速原理 變頻調(diào)速時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的過載能力 保持不變， -稱為力矩倍數(shù)。 -電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩 -電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩 由最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式可推得當(dāng)電機(jī)的 在變頻前后保持不變時(shí)，則電壓、頻率和額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持下列關(guān)系： 對應(yīng)于上式轉(zhuǎn)矩變化，電壓隨頻率的改變而調(diào)節(jié)情況。一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題3.變頻電機(jī)的調(diào)速原理 （1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 希望 = =常數(shù)，此時(shí)要求 ，也即 = 常數(shù)， 即電機(jī)上的電壓必須隨頻率成

4、正比改變。 （2）恒功率調(diào)速 希望 以便 =常數(shù)。于是可得 ，即加到電機(jī)上的電壓必須隨頻率的開平方成正比改變。一.起重機(jī)運(yùn)行過程中的調(diào)速問題4.變頻電機(jī)的特性 與以上調(diào)速狀態(tài)相對應(yīng)，變頻電機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)矩、電壓、功率，有如下關(guān)系曲線 ：二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響 變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用對起重機(jī)的控制帶來了極大的改變，特別是閉環(huán)矢量控制變頻器的成功開發(fā)，有效地解決了位能性負(fù)載的變頻調(diào)速問題。從控制角度講變頻調(diào)速無疑具有劃時(shí)代的意義。然而從機(jī)械角度講該技術(shù)對起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用的影響也是巨大的。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響1.可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)工作 起重機(jī)工作時(shí)，最希望

5、能做到重載時(shí)低速運(yùn)行，輕載時(shí)高速運(yùn)行，同時(shí)載重狀態(tài)下工作機(jī)構(gòu)均希望有較大的驅(qū)動(dòng)力矩，輕載時(shí)可以采用小的驅(qū)動(dòng)力矩。變頻電機(jī)的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩工作特性正好與起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的要求相一致，非常理想地解決了負(fù)載、變速和轉(zhuǎn)矩、功率之間的關(guān)系問題。 如起升機(jī)構(gòu)在取消機(jī)械變速箱的情況下，很方便的實(shí)現(xiàn)了在不同工作速度時(shí)起吊不同質(zhì)量，甚至在恒功率調(diào)速狀實(shí)現(xiàn)起吊載荷的無級變化，有效地?cái)U(kuò)大了起重機(jī)的工作范圍，大大提高了工作效率。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響2.可提高起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)富余承載功能的利用 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速后，使挖掘和利用起重機(jī)及金屬結(jié)構(gòu)的富余承載能力成為可能。過去港口常用的裝卸起重機(jī)額定起重

6、量均為定值，與工作幅度無關(guān)。如港口門座起重機(jī)，一般指全幅度范圍內(nèi)均起吊額定載荷。實(shí)際上起重機(jī)的起重量與工作幅度緊密相關(guān)，工作幅度對起重機(jī)的穩(wěn)定性、輪壓、金屬結(jié)構(gòu)的受力影響很大。在額定載荷情況下，起重機(jī)及金屬結(jié)構(gòu)在小幅度時(shí)具有很大的富余承載能力。例如我們對MQ1633四連桿門機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)富余承載能力進(jìn)行過研究,確定起重機(jī)的金屬材料全部使用Q235，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元建模分析計(jì)算，在每一個(gè)工作幅度將載荷增加到使某一個(gè)構(gòu)件的最大應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下表：二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響門機(jī)變幅過程承載能力數(shù)據(jù)表門機(jī)型號MQ1633變幅次數(shù)幅度最大載荷133m16t231.6m19t3

7、30.1m23t428.5m26t526.9m29t625.2m30t723.4m31t821.5m32t919.6m32t1017.4m31t1115.1m29t1212.4m28t139.5m30t起重機(jī)承載能力曲線起重機(jī)富余承載能力利用曲線以上計(jì)算結(jié)果還必須滿足穩(wěn)定性和輪壓允許條件。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響3.可實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載零速狀態(tài)下制動(dòng) 起重機(jī)的運(yùn)行制動(dòng)既是起重機(jī)運(yùn)行減速停車的重要過程，同時(shí)也是起重機(jī)安全工作的重要環(huán)節(jié)。在常規(guī)控制狀況下是通過制動(dòng)器消耗起重機(jī)運(yùn)行的部分能量實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的減速停車，故經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)器的頻繁磨損，制動(dòng)能力下降，特別是起升、變幅等具有位能性負(fù)載的工

8、作機(jī)構(gòu)，制動(dòng)器的損壞更加突出，由此帶來安全隱患。按制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)力矩的計(jì)算公式為： Mz=Mzs+Mzd=Mzs+Mzd1+Mzd2 Mzs 制動(dòng)器需克服的靜力矩. Mzd 制動(dòng)器需要克服的慣性力矩，包括移動(dòng)質(zhì)量的慣性力矩和回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響3.可實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載零速狀態(tài)下制動(dòng) 通過給定制動(dòng)時(shí)間計(jì)算制動(dòng)器所需的制動(dòng)力矩，取一安全系數(shù)后可按此選制動(dòng)器。采用變頻驅(qū)動(dòng)，特別是閉環(huán)矢量變頻制動(dòng)控制系統(tǒng)的成功運(yùn)用，按變頻電機(jī)的調(diào)速性能，可在電機(jī)頻率為0Hz時(shí)保持額定力矩的輸出，從而實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，此時(shí)起重機(jī)減速時(shí)的動(dòng)能是通過變頻器的電制動(dòng)消耗在制動(dòng)電阻上，機(jī)械制動(dòng)

9、器僅僅只需克服靜力矩，已沒有制動(dòng)過程，其功能轉(zhuǎn)變成停車狀態(tài)下的安全保護(hù)制動(dòng)。此時(shí)制動(dòng)器的工作環(huán)境大大改善，壽命大大延長，安全性也大大提高。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響4.實(shí)現(xiàn)了抓斗工作開閉繩載荷的重新分配 起重機(jī)抓斗工作時(shí)，起升繩和開閉繩在工作工程中并不是均勻分配。抓斗在進(jìn)行物料挖掘和閉合提升時(shí)，開閉繩承受的載荷比起升繩大很多，在沒有采用交流變頻驅(qū)動(dòng)之前，規(guī)范要求閉合機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)電機(jī)功率應(yīng)取為總計(jì)算功率的66%，當(dāng)采用交流變頻調(diào)速或直流調(diào)速時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控并保證抓斗閉合終止時(shí)支撐繩與閉合繩載荷準(zhǔn)確相等，各機(jī)構(gòu)電機(jī)功率可取總計(jì)算功率的55%，這樣大大地降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。二.變頻調(diào)速對起

10、重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響5.帶來起升動(dòng)載系數(shù)計(jì)算的改變 起重機(jī)的起升動(dòng)載系數(shù) 是一個(gè)最重要的系數(shù)，起重機(jī)實(shí)際工作時(shí)影響該系數(shù)的因素很多，其中最主要的是起重機(jī)的調(diào)速狀態(tài)和操作狀態(tài)。按起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的計(jì)算公式： 與起重機(jī)狀態(tài)級別相對應(yīng)的起升載荷系數(shù)的最小值； 按起升狀態(tài)級別設(shè)定的參數(shù)；Vq 穩(wěn)定起升速度（與起升驅(qū)動(dòng)控制和操作方案有關(guān)）。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響5.帶來起升動(dòng)載系數(shù)計(jì)算的改變 如抓斗起重機(jī)的起升速度為60/min，按老規(guī)范計(jì)算公式 ： =1+0.7Vmax， =1.7 按新規(guī)范考慮控制方法和操作方法，如采用變頻調(diào)速，計(jì)算公式： =1.2+0.680.5Vqmax， =1.

11、54 二者的差異很大。 二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響6.帶來驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和過載能力計(jì)算的改變 如果采用變頻調(diào)速，電機(jī)的輸出功率在恒定功率頻率段和恒定轉(zhuǎn)矩頻率段是不同的，當(dāng)頻率降到50Hz以下時(shí)，電機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)功率的損失與頻率的減少成正比。國產(chǎn)電機(jī)正常工作時(shí)的頻率一般在20Hz以上可以保證轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，20Hz以下主要用于調(diào)速狀態(tài)。電機(jī)在50Hz以上頻率段運(yùn)行時(shí)，電機(jī)工作在恒定功率狀態(tài)，盡管功率不變，但輸出扭矩是隨頻率的增大而減小的，要注意最小扭矩的校核。國產(chǎn)電機(jī)的最高穩(wěn)定運(yùn)行工作頻率一般不應(yīng)該超過80Hz。調(diào)頻狀態(tài)下的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速要考慮減速機(jī)高速軸的許用輸入轉(zhuǎn)速和制動(dòng)輪

12、、聯(lián)軸器的慣性等的影響。 二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響6.帶來驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和過載能力計(jì)算的改變 電動(dòng)機(jī)的過載能力與過載能力系數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)有關(guān)，能力系數(shù)H越小，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)T越大，則電機(jī)的過載能力越強(qiáng)。直流電機(jī)的過載能力最強(qiáng)，其次是變頻電機(jī)、繞線轉(zhuǎn)子異步和籠型異步電機(jī)。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響7.帶來起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行沖擊狀態(tài)的良好改善 起重機(jī)是一種頻繁起、制動(dòng)和變速運(yùn)行的機(jī)械、沖擊和加、減速的慣性載荷對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和金屬結(jié)構(gòu)的影響很大，這也是起重機(jī)動(dòng)力學(xué)研究被高度重視的原因。起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)問題實(shí)際上是一個(gè)調(diào)速問題，電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能會(huì)大大改善起重機(jī)運(yùn)行的振動(dòng)和沖擊。變頻

13、調(diào)速是一種相對高精度的調(diào)速方式，帶來的效果就是使起重機(jī)的平穩(wěn)性大大改善，起重機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中大量采用齒輪傳動(dòng)，除減速箱為齒輪閉式傳動(dòng)外，還大量使用開式齒輪傳動(dòng)，只要采用齒輪傳動(dòng)就一定會(huì)有間隙，也就會(huì)有沖擊和振動(dòng)。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響7.帶來起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行沖擊狀態(tài)的良好改善 過去港口門座起重機(jī)的齒條變幅機(jī)構(gòu)就存在沖擊的問題，曾采取了很多措施，先是在齒條與臂架連接處安裝緩沖器，以后又改用渦流制動(dòng)器調(diào)速，甚至還有改用螺桿變幅的，現(xiàn)在采用變頻調(diào)速，一切問題都解決了，通過閉環(huán)控制也解決了位能性負(fù)載問題?；剞D(zhuǎn)變頻也是有效解決回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由于起、制動(dòng)造成回轉(zhuǎn)減速箱斷軸的手段，包括具有開式傳動(dòng)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)的沖擊和振動(dòng)。二.變頻調(diào)速對起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響8.帶來起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的良好改善 起重機(jī)金屬