英威騰變頻器在起重行業中的應用

摘要：本文分析了起重機的運行特點，詳細闡述了英威騰CHV190起重機專用變頻器用于起重機調速時的選型原則和周邊設備的容量計算方法，并介紹了CHV190變頻器在門式起重機中的應用案例。

關鍵詞：英威騰CHV190起重機專用變頻器 門式起重機 電氣制動

INVT CHV190 Inverter Applied to Crane

Abstract:This paper analyses the operation characteristic of crane, discuss
the selection principle when INVT CHV190 series frequency inverter for crane
application and the calculation formulas of capacity for periphery equipment.
Then introduce the application examples of CHV190 series frquency inverter for
the frame crane。

Keyword: INVT CHV190 Inverter Applied to Crane Frame crane Electric
brake

1 前言

隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統的起重機調速方法如：繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，它們要求定期維護，由集電環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，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高，而且調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足工業生產的特殊要求。

交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機，并且高效、節能，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的提高。所以，采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發展的主流。

交流變頻調速技術應用于起重機后，與市場上大量使用的傳統的繞線異步電動機轉子串電阻調速系統相比，可帶來以下顯著經濟效益和安全可靠性：

（1）采用交流變頻調速技術的起重機由于變頻器驅動的電動機機械特性硬，具有精確定位的優點，不會出現傳統起重機負載變化時電動機轉速也隨之變化的現象，可以提高裝卸作業的生產率。

（2）變頻起重機運行平穩，起、制動平緩，運行中加、減速時整機振動和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長了起重機機械部分的壽命。

（3）機械制動器在電動機低速時動作，主鉤以及大、小車的制動由電氣制動完成，所以機械制動器的制動片壽命大為延長，維護保養費用下降。

（4）采用結構簡單、可靠性高的鼠籠異步電動機取代繞線轉子異步電動機，避免了因集電環、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動機損壞或不能起動的故障。

（5）交流接觸器大量減少，電動機主回路實現了無觸點化控制，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損壞故障。

（6）交流變頻調速系統可以根據現場情況，靈活調整各檔速度和加、減速時間，使得變頻起重機操作靈活、現場適應性好。

（7）交流變頻調速系統屬高效率調速系統，運行效率高，發熱損耗小，因此比老式調速系統大量節電。

（8）變頻器具有完善的保護、監測及自診斷功能，如再結合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機電控系統的可靠性。

2 起重機運行的特點

（1）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。

（2）由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序。

（3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發電狀態，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現場情況研討如何處理這部分再生能量。

（4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。

3 英威騰CHV190起重機專用變頻器簡介

3.1 主要功能及特點

CHV190起重機專用變頻器是英威騰公司針對起重行業專業設計的一款高性能矢量變頻器，用于各類起重機的起升、俯仰、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。主要的功能及特點如下：

（1）抱閘邏輯控制與監控

準確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實時狀態反饋和起動預轉矩補償，確保控制的安全性和可靠性。

（2）輕負載升速（電子副鉤）

起重機空鉤或輕載時實現2倍速運行，提高裝卸效率。輕負載升速功能主要應用于起升高度較大的起重機：在起升機構空載運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備和人身的安全。變頻器根據啟動后一段時間內的平均電流值來判斷負荷的大小：當負載重時，變頻器自動降低輸出頻率；當負載輕時，變頻器自動提高輸出頻率。

（3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制提高了用戶調試時的安全性，便于故障診斷與維護。

（4）主從控制功率平衡與速度同步技術

在兩個大功率電機通過減速箱剛性連接驅動一個起升機構時，主從控制功率平衡功能保證兩個電機出力均勻；在雙起升機構提升一個重物時，主從控制速度同步功能保證兩個起升機構同步提升，確保安全。

（5）第二電機控制及切換功能

一臺變頻器通過參數自學習可以自動存儲兩套電機參數，通過切換指令實現對兩組電機的高性能矢量控制；便于電氣傳動系統的控制，降低用戶成本。

（6）同時支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議

支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議，能實現多個變頻器和PLC之間的通訊連接。

（7）危險速度監視、快速停車及超速保護

變頻器實時監測電機的運行速度，當電機速度大于設定的最高允許速度或速度偏差值時，變頻器發出故障報警并立即停止輸出，機械制動器動作，使起重機處于安全狀態。

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：電氣制動加機械制動的停車；方式3：機械制動的停
車。

（8）預勵磁及起動預轉矩補償

預勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，并通過調節勵磁的時間使電動機的起動與機械制動器的釋放時間相配合，避免出現“溜鉤”現象。

（9）松繩檢測

防止在起重機繩索松弛的情況下，輕負載升速功能誤動作引發的不安全運行。

（10）起重機操作模式——方便、靈活

根據起重機不同的操作模式，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。

3.2 應用范圍

CHV190起重機專用矢量變頻器，具有優異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機（STS）、軌道式集裝箱龍門起重機(RMG)、輪胎式集裝箱龍門起重機（RTG）、門座式起重機、造船用龍門起重機、裝船機、卸船機、翻車機、堆取料機等各類港口機械，以及各類普通橋式、門式、塔式起重機和提梁機、架橋機等起重機械的起升、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。

4 變頻器的選用

下面就起重機的起升、平移機構的變頻器選用原則做以詳細說明。

4.1起升機構

變頻器的容量必須大于負載所需求的輸出，即：

k PM

P0[KVA] ≥ ————

ηcosφ

式中k——過載系數1.33

PM——負載要求的電動機軸輸出功率，kW

η——電動機效率

cosφ——電動機的功率因數

起升機構要求的起動轉矩為1.3—1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6—2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數k=2/1.5=1.33。

在變頻器容量選定后，還應做電流驗證，即：

ICN≥kIM

式中k——電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時的電動機額定電流，A

一般的大噸位起重機有兩個獨立驅動的起升機構，每個起升機構由2臺電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時的動態特性和高轉矩輸出能力，每臺電動機采用帶脈沖編碼器的速度閉環控制。每個起升機構的2臺變頻器之間采用CHV190變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實現2臺電動機精確的轉矩平衡分配和2個起升機構的速度同步。

4.2平移機構

起重機的平移機構分大車機構和小車機構，兩種機構一般采用多臺電動機傳動方案。由于起重機平移機構的轉動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率PM應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由于平移機構采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用U/f開環頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：

ICN≥knIM

式中k——電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時單臺電動機的額定電流，A

n——一臺變頻器拖動的電動機數量

由于在變頻器“一拖多” 通用U/f開環頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現對單臺電動機的過載保護，為此在每臺電動機回路中串入帶有熱過載保護功能的低壓斷路器，以實現對單臺電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。

5 再生能量的處理

當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發電狀態。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉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，當直流回路電容電壓升到保護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，對連續再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；
② 采用再生整流器方式，將連續再生能量送回電網，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可參見說明書。

下面對這兩種制動方式做以詳細介紹。

（1）動力制動

動力制動由制動單元和制動電阻構成。變頻器設置了制動單元和制動電阻后，其動力制動能力取決于制動電阻的允許功率。因此，計算再生功率PM時，必須滿足PM<PR（PR為制動電阻的允許功率）。如果再生功率超過制動電阻的允許功率時，要重新考慮減速時間及負載慣量等。下面詳細敘述設置制動電阻后，如何計算制動電阻的再生功率PM和電阻值RB。

① 計算再生能量EM

② 計算再生功率PM

PM = EM/t0

式中 PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W

EM——機構急減速及下降時的再生能量，J

t0——制動周期時間，S

③ 選擇合適的制動單元/制動電阻組合

選擇合適的制動單元/制動電阻組合，必須滿足下列條件：

PM<PR＆PM<PDB

式中 PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W

PR——制動電阻的允許功率，W

PDB——制動單元的允許功率，W

當計算的PM>PR時，表明超出了制動電阻的處理能力，需重新核算負載慣量和減速時間。

④ 制動電阻RB0的計算

在再生回饋制動中，即使不設置制動電阻，依靠電機內部損耗也可獲得約20%的制動轉矩，因此可用下式計算所需的電阻值RB0：

VC&sup2;

RB0 = ——————————

1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V

TB——制動轉矩，kg·m

TM——電動機額定轉矩，kg·m

n1——電動機開始減速時的速度，rpm

動力制動的放電回路由制動單元和制動電阻構成，其最大電流受制動晶體管最大允許電流IC的限制，制動電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動電阻選用時其實際值RB應滿足以
下條件：

RMIN < RB < RB0

上述選型是建立在精確的計算基礎上，在實際工程中如果精確的計算數據不能取得，
也可按下述給出的經驗公式選型。

①起升機構的再生功率PM