CHV190變頻器在起重機(jī)中的應(yīng)用(1)

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，可帶來以下顯著經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠性：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

（6）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。
（7）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。

（8）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 起重機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)

（1）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。

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

（3）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時，電動機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。

（4）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。

3 英威騰CHV190起重機(jī)專用變頻器簡介

3.1主要功能及特點(diǎn)

CHV190起重機(jī)專用變頻器是英威騰公司針對起重行業(yè)專業(yè)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：

（1）抱閘邏輯控制與監(jiān)控

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，確保控制的安全性和可靠性。

（2）輕負(fù)載升速（電子副鉤）

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)荷的大小：當(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。

（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(diào)試時的安全性，便于故障診斷與維護(hù)。

（4）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。

（5）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。

（6）同時支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協(xié)議支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)多個變頻器和PLC之間的通訊連接。

（7）危險(xiǎn)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(bào)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。

（8）預(yù)勵磁及起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

預(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。

（9）松繩檢測

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。

（10）起重機(jī)操作模式——方便、靈活

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。

3.2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。

4 變頻器的選用

下面就起重機(jī)的起升、平移機(jī)構(gòu)的變頻器選用原則做以詳細(xì)說明。

4.1起升機(jī)構(gòu)

變頻器的容量必須大于負(fù)載所需求的輸出，即：

kPM

P0[KVA]≥————

ηcosφ

式中k——過載系數(shù)1.33

PM——負(fù)載要求的電動機(jī)軸輸出功率，kW

η——電動機(jī)效率

cosφ——電動機(jī)的功率因數(shù)

起升機(jī)構(gòu)要求的起動轉(zhuǎn)矩為1.3—1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其

最大轉(zhuǎn)矩需有1.6—2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機(jī)的變頻器

來說，可提供長達(dá)60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。

在變頻器容量選定后，還應(yīng)做電流驗(yàn)證，即：

ICN≥kIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)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(jī)額定電流，A

一般的大噸位起重機(jī)有兩個獨(dú)立驅(qū)動的起升機(jī)構(gòu)，每個起升機(jī)構(gòu)由2臺電動機(jī)同步驅(qū)動

各自的鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機(jī)的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時的動態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，每臺電動機(jī)采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個起升機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)2臺電動機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩平衡分配和2個起升機(jī)構(gòu)的速度同步。

4.2平移機(jī)構(gòu)

起重機(jī)的平移機(jī)構(gòu)分大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)一般采用多臺電動機(jī)傳動方案。由于起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了加速電動機(jī)需有較大的起動轉(zhuǎn)矩，因此起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)所需的電動機(jī)軸輸出功率PM應(yīng)由負(fù)載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由于平移機(jī)構(gòu)采用一臺變頻器拖動多臺電動機(jī)的通用U/f開環(huán)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(shù)（PWM調(diào)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(jī)的額定電流，A

n——一臺變頻器拖動的電動機(jī)數(shù)量

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

5 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)載下放或平移機(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。
下面對這兩種制動方式做以詳細(xì)介紹。

（1）動力制動

動力制動由制動單元和制動電阻構(gòu)成。變頻器設(shè)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(jì)算再生功率PM時，必須滿足PM ①計(jì)算再生能量EM

②計(jì)算再生功率PM

PM=EM/t0

式中PM——制動期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

EM——機(jī)構(gòu)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 式中PM——制動期間電機(jī)產(chǎn)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(dāng)計(jì)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(fù)載慣量和減速時間。

④制動電阻RB0的計(jì)算

在再生回饋制動中，即使不設(shè)置制動電阻，依靠電機(jī)內(nèi)部損耗也可獲得約20%的制動轉(zhuǎn)矩，因此可用下式計(jì)算所需的電阻值RB0：

VC²

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(zhuǎn)矩，kg·m

TM——電動機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kg·m

n1——電動機(jī)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(gòu)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(shí)際值RB應(yīng)滿足以下條件：

RMIN 上述選型是建立在精確的計(jì)算基礎(chǔ)上，在實(shí)際工程中如果精確的計(jì)算數(shù)據(jù)不能取得，

也可按下述給出的經(jīng)驗(yàn)公式選型。

①起升機(jī)構(gòu)的再生功率PM

PM=Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實(shí)際的負(fù)載再生發(fā)電功率，ηmec為機(jī)械效率，ηmot為電機(jī)效率。

②制動電阻RB0的近似計(jì)算

VC²

RB0=——

PM

由于平移機(jī)構(gòu)屬于摩擦負(fù)載，其制動單元和制動電阻可按變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2）回饋制動

為了實(shí)現(xiàn)把制動狀態(tài)的電動機(jī)再生發(fā)電能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)采用可逆變流器。英威騰推出的能量回饋制動單元，它的網(wǎng)側(cè)變流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網(wǎng)電壓識別板。由于采用了PWM控制技術(shù)，對網(wǎng)側(cè)交流電壓的大小和相位可以進(jìn)行控制，可以使交流輸入電流與電網(wǎng)電壓同相位并接近正弦波，傳動系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9，回饋制動時有100%電網(wǎng)回饋能力，而不需要自耦變壓器。

動力制動方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動。回饋制動方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復(fù)雜、成本較高。應(yīng)該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下，才可以采用回饋制動方式。對于采用滑觸線供電的起重機(jī)，應(yīng)特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點(diǎn)，建議采用動力制動方式，以保證起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降時調(diào)速制動的可靠性。