起重机械变频调速控制

2016-01-09 10:02 作者:管理员11 来源:未知 浏览: 字号:
 
任务4  起重机械变频调速控制

起重机械的种类很多,但其拖动系统基本特点大同小异。本节对工厂常见的桥式起重机略作介绍。其基本结构如图6-49所示。
桥式起重机的基本结构
    对于升降类恒转矩负载,如提升机、电梯等,这类负载的特点是起动时冲击电流大,在其下降过程中需要一定制动转矩,同时会有能量回馈,因此要求变频器有一定余量。通用变频器本身提供的制动转矩往往不能满足要求,必须外加制动单元。
一、起重机械调速系统概述
1.起重机械的机构类别
    不同起重机械的结构是很不相同的,但大体上说,其基本的机构类别有起升机构、运行机构、变幅机构和旋转机构四种。
    (1)起升机构,即重物上升或下降的机构,这是起重机械的基本功能,是任何起重机械都不可缺少的部分。
    (2)运行机构,即起重机械平行移动的机构,多数起重机械是在一定的轨道上“行走”的。
    (3)变幅机构,即臂架伸长或缩短的机构。
   (4)旋转机构,即起重机械旋转移动的机构。
    2.起重机械的负载特点
    起重机械的各类机构都属于恒转矩负载。此外,不同的机构还有各自的特点:
    (1)升降机构。由予重物在空间具有位能,因此是位能负载。其特点是:
    重物上升时,电动机克服各种阻力(包括重物的重力、摩擦阻力等)做功,属于阻力负载I重物下降时,由于重物本身具有按重力加速度下降的能力(位能).因此,当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时,重物本身的重力(位能)是下降的动力,电动机成为能量的接受者,故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时,重物仍须由电动机拖动下降,仍属于阻力负载。
    (2)运行机构。室内起重机的运行机构都是阻力负载,室外起重机有时在较大的风力作用下成为动力负载。
    (3)变幅机构。变幅机构的负载特点与幅度有关s幅度大时,有时具有动力负载的特点,幅度小时,则一般为阻力负载。
    (4)旋转机构。旋转机构主要用于室外起重机,和运行机构一样,其负载特点视风力的大小而定。
    3.超重枳械的调速方法和节能比较
    (1)原拖动系统的调速方法
起重机械各部分的拖动系统,一般都需要调速,由于异步电动机与其他电动机相比,结构简单,易于维护。因此,在变频调速问世之前,已经发明了多种调速方法,获得了广泛的应用。例如:增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等。比较常见的是采用绕线转子异步电动机,其主电路如图6-50所示。调速方法是通过集电环和电刷在转子回路内串入若干段电阻,由接触器来控制接入电阻的数量,从而控制转速。
    (2)绕线转子异步电动机调速时的功率损耗
1)串电阻词速的功率损耗。
转子功率分配的比较
    如图6-51 (a)所示,-异步电动机的自然特性为曲线1,当负载转矩为TI时,工作点为A点。转子侧的能量分配如图6-51 (a)中的△P,转子回路中的能量损耗是很小的。当异步电动机的转子回路中串入电阻后,机械特性如图6-51 (a)中的曲线2所示。这时,机械特性变软,在转矩不变(仍为TL)的情况下,拖动系统的工作点由A点移至B点,转速由n1下降为n2。功率分配情况的变化如下:
同步转速未变,故电磁功率  PM1与未调速前相同,即
PML = TLn01/9550             (6-22)
电动机轴上的转速变为抛,输出功率PL1将随之下降,即
                         PL1=TLn2/9550                  (6-23)
    电动机的功率损耗为
△P1 =TL (n01-n2 )/9550= TL △n2 /9550         (6-24)
    功率损耗在电磁功率中所占的比例是相当大的。事实上,转速的下降(或者说机械功率的减少)是通过在转予的外接电阻中消耗能量来实现的。并且,转速越低,机械
特性越软,功率损耗在电磁功率中所占的比例也越大,是很不经济的。
    2)变颂词速的功率损耗。
异步电动机在改变频率后,其机械特性基本上与自然机械特性平行。所以,在不同转速下的转差大致相等,如图6-51 (b)中的曲线3所示,当负载转矩为TL时,拖动系统的工作点为C点。这时同步转速下降为no2.故电磁功率PM2也随之下降,即
   P2 =TLTnoz/9550                                              (6-25)
    电动机轴上的转速也是n2,故输出功率PL2与式(6-25)相同,即
                        PL2 =TLnoz/9550           (6-26)
    电动机的功率损失为
   △  P2 =TL(no2-n2)/9550= TL(no1-n1)/9550= TL△n1/9550         (6-27)
可见,变频调速后的功率损耗与额定转速时功率损耗基本相等,如图6-51右侧所示。所以,两种调速方法相比,变频调速的功率损耗要小得多,节能效果是十分显著的。此外,如果变频调速系统再配上电源反馈选件,则在吊钩下放重物时,还可将重物释放的位能反馈给电源,进一步节电。
 二、起重机械变频调速系统要点
    1.越须注意的问题
(1)重物上升时起动转矩Ts较大,通常在额定转矩TN的iso%以上。考虑到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素,一般情况下,起动转矩Ts应按照额定转矩TN的(150%—180%)来进行选择,即
 Ts = (150%~ l80%)TN                                   (6-28)
    (2)因为各部分的拖动系统都有机械式制动器,所以,必须充分考虑电动机在起动和制动时与机械式制动器动作之间的配合。这一点在起升机构中尤其重要。
    (3)起升机构中,上升时在重物刚离开“床面”(地面)的瞬间,以及下降时在重物刚到达床面(地面)的瞬间,负载转矩的变化是十分激烈的,应引起注意。
    (4)起升装置在调整缆绳松弛度时,以及移动装置在进行定位控制时,都需要点动运行,应充分注意点动时的工作特性。
    2.变频器容量的选择
    在起重机械中,因为升、降速时的电流较大,应求出对应于最大起动转矩和升降速转矩的电动机电流。
通常,起重机械用变频器容量按以下步骤求出;
(1)  恒定负载上升时的电动机容量PMN  (kW),即
PMN≥GNν/6120η                        (6-29)
式中,GN为额定重量,kg,具体计算时,应考虑须有125%的过载能力;_为额定线速度,m/min.刀为机械效率。
(2)  变频器的额定电流为
  变频器额定电流>电动机额定电流×K1K2/K3       (6-30)               
式中,K1为所需最大转矩/电动机额定转矩;K2为变频器的过载能力通常取k2=1.5;K3为裕量,通常取k3 =1.1。
三、起重电动机的工作状态
1-起升机构的主要特点
起升机构的大致组成如图6-52所示,M是电动机,DS是减速机构,R是卷筒,卷筒的半径为r,G是重物。
  在起升机构中,主要有电动机的转矩、重力转矩和摩擦转矩三种。
  (1)电动机的转矩TM。即由电动机产生的转矩,是主动转矩,其方向可正可负。
  (2)重力转矩TG。由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩,其大小等于重物及吊钩等的重量W与卷筒半径r的乘积TG= Wr,TG的方向永远是向下的。
起升机构的机构
    (3)摩擦转矩To。由于减速机构的传动比较大,传动比A最大可达50,因此,减速机构的
摩擦转矩<包括其他损耗转矩)不可小视。摩擦转矩的特点是其方向永远与运动方向相反。
    2.升降过程中的电动机工作状态
    (1)重物上升
    重物的上升,完全是电动机正向转矩作用的结果。这时,电动机的旋转方向与转矩方向相同,处于电动机状态,其机械特性在第一象限,如图6-53 (b)中的曲线1所示,工作点为Q1点,转速为m。
当通过降低频率而减速时,在频率刚下降的瞬间,机械特性已经切换至曲线2了,工作点由Q1至Q'点,进入第二象限,电动机处于再生制动状态(发电机状态),其转矩变为反方向的制动转矩,使转速迅速下降,并重又进入第一象限,至Q2,又处于稳定运行状态。B点便是频率降低后的新的工作点,这时,转速已降为住2。
)重物上升时的工作示意图和机械特性
  (2)空钩(或轻载)下降
 空钩(或轻载)时,重物自身是不能下降的,必须由电动机反向运行来实现。电动机的转矩和转速都是负的,故机械特性曲线在第3象限,如图6-54的曲线1所示,工作点为Q1点,转速为n1。
  当通过降低频率而减速时,在频率刚下降的瞬间,机械特性已经切换至曲线2,工作点由Q1变至Q,点,进入第4象限,电动机处于反向的再生制动状态(发电机状态),其转矩变为正方向,以阻止重物下降,所以也是翻动转矩,使下降的速度减慢,并重又进入第3象限,至Q2,又处于稳定运行状态。Q2是频率降低后的新的工作点,这时转速为n2。

    (3)重载下降
 重载时,重物将因自身的重力而下降,电动机的转速将超过同步转速而进入再生制动状态。
电动机的旋转方向是反转(下降)的,但其转矩的方向却与旋转方向相反,是正方向的,其机械特性如图6-55的曲线所示,工作点为Qz。这时,电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速,以达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下,摩擦转矩将阻碍重物下降,故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。

  3.与传统抱动系统的比较
 与传统绕线式异步电动机拖动系统比较如图6-56所示,重物上升时工作在第一象限,降速的改变通过增加转子所串电阻来实现,从A到A7到B.转速从以1到n2。轻载下放重物与提升重物相同,只是工作在第三象限曲线3、4的C、D点。重载下放重物电动机接法仍然是正方向,只是转子串了足够大电阻,使特性曲线倾斜到第四象限的E点。与变频调速方式重载下放重物比较,两种方法都工作在第四象限,但电动机工作状态却不一样。
 四、再生电能的处理
    1.升、降过程中的两种再生制动状态
    如上所述,起升机构在升、降过程中,有两种工作过程使电动机处于再生制动状态:
(1)  降速过程
    这是电力拖动系统从高速到低速时的过渡过程,和其他机械的降速过程完全相
同。由于多数情况下时间较短,所以,各变频器生产厂生产的制动电阻的容量,都是按短时运行计算的。
  (2)重载下降过程
从本质上说,这是重物的位能从高到低的转移过程,是电力拖动系统释放位能,
通过电动机转换成电能的过程,属于正常工作的稳态运行过程。
2.电能的处理
起升机构在释放位能时产生的电能,可以有以下两种处理方法:
  (1)通过制动电阻消耗掉,与通常的再生制动相同,但由于是稳态运行过程,
长期运行考虑。
(2)  通过反馈单元反馈给电网。
绕线式转子异步电动机的机械特性
3.制动电阻的粗略计算
    制动电阻的精确计算是十分复杂的,在实际应用中是比较准确实用的。
    (1)位能的最大释放功率
对时间并无限止,故在计算制动电阻的容量时,必须按这里只介绍制动电阻的粗略计算,虽然不十分严谨,但    即起升机构在装载最大负荷情况下以最高速度下降时电动机的最高功率,实际上就是电动机的额定功率。
    (2)耗能电阻的容量
    电动机在再生制动状态下发出的能量是全部消耗在耗能电阻上的,因此耗能电阻的容量和电动机容量相等。PRB = PMN           (6-31)
         (3)电阻值的计算
  由于耗能电阻是接在直流回路上的,电压为UD,放电阻值的计算方法是:
            RB≤U2D/PMN                      (6-32)
    (4)锕动单元的计算
    制动单元的允许电流可按工作电流的两倍考虑。
    IB≥2UD/RB                        (6-33)
    4.电能的反馈
近年来,不少变频器系列都推出了电源反馈选件,其基本接法如图6-57所示。
电源反馈选件的接法
    图中,RG是电源反馈选件,接线端P和N分别是直流母线的“+”极和“一”极。当直流电压超过限值时,电源反馈选件RG将把直流电压逆变成三相交流电反馈回电源去。这样,就把直流母线上过多的再生电能又送回给电源了。这种方式不但迸一步节约了电能,并且还具有抑制谐波电流的功效。此外,在起重机械中,趋升机构和其他机构的变频器常常采用公用直流母线的方式,即若干台变频器的整流部分是公用的。由于各台变频器不可能同时处于再生制动状态,因此可以互相补偿。公用直流母线方式与电源反馈相结合,结构简洁,并可使起重机械各台变频器的电压稳定,不受电源电压波动的影响,在矢量控制的情况下,还可以通过提高电动机的额定电压来减小变频器的容量。
五、起重机溜钩的防止
    1.产生溜钧的原因和危害
    (1)起升机构中的制动器
    起升机构中,由于重物具有重力的原因,如没有专门的制动装置,重物在空中是停不住的。为此,电动机轴上必须加装制动器,常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。多数制动器都采用常闭式,即线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住,线圈通电时松开。
    (2)产生溜钩的原因
    在重物开始升降或停住时.要求制动器和电动机的动作之间,必须紧密配合。由于制动器从抱紧到松开,以及从松开到抱紧的动作过程需要时间(约o.6s),而电动机转矩的产生或消失,是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因此,两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电,而制动器尚未松开,将导致电动机的严重过载;反之,如电动机已经断电,而制动器尚未抱紧,则重物必将下滑,出现溜钩现象。
    2.原拖动系统的防溜钩措施
    (1)由停止到运行
电磁制动器线圈与电动机同时通电。这时,存在着以下问题:对于电动机来说,在刚通电瞬间,电磁制动器尚未松开,而电动机已经产生了转矩,这必将延长起动电流存在的时间;对于制动器来说,在松开过程中,必将具有制动瓦与制动轮之间进行滑动摩擦的过程,影响制动瓦的寿命。
(2)由运行到停止
使制动器先于电动机断电,以确保电动机在制动器已经抱住的情况下断电。这时:对于电动机来说,由于在断电前制动器已经在逐渐她抱紧了,必将加大断电前的电流;对于制动器来说,在开始抱紧和电动机断电之间,也必将具有制动瓦与制动轮之间进行滑动摩擦的过程,影响制动瓦的寿命。即使这样,在要求重物准确停位的场合,仍不能满足要求。操作人员往往通过反复点动来达到准确停位的目的。这又将导致电动机和传动机构不断受到冲击以及继电器、接触器的频繁动作,从而影响它们的寿命。
3.变频调速系统中的防溜钩措施
不同品牌的变频器,防止溜钩的措施也各不相同。这里介绍日本三菱FR-540A系列变频器对于溜钩的防止方法,较有参考价值。其控制过程如图6-58所示。
 (1)重物升降的控制过程
   1)设定一个升降起始频率fs,当变频器的工作频率上升到,。时,将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后,变频器已能控制住重物的升降而不会溜钩,所以,在工作频率达到f的同时.变频器将开始检测电流,并设定检测电流所需时间tsc;
    2)发出松开指令。当变频器确认已经有足够大的输出电流时,将发出一个松开指令,使制动电磁铁开始通电。
  3)设定一个^维持时间的长短应略大予制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间tSD。
升降过程中变频器控制的防溜钩控制
4)变频器将工作频率上升至所需频率。
 (2)重物停住的控制过程
1)设定一个“停止起始频率”fSD。当变频器的工作频率下降到fSD时,变频器将输出一个频率到达信号,发出制动电磁铁断电指令。
2)设定一个fSD的维持时间tBB。tBB的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱住所需要的时间。
  3)变频器的工作频率将下降至0。
六、桥式起重机的变频调速
1.桥式起重机拖动系统的构成
桥式起重机俗称行车,是工矿企业中应用得十分广泛的一种起重机械。它主要由以下机构组成:
   (l)桥架是桥式起重机的基本构件,它又有主梁、端梁和走台构成。
      1)主粱用于铺设供小车运行的钢轨。
      2)端梁在主梁的两侧,用于和主梁连接并承受全部载荷。
3)走台在主梁外侧,为安装和检修大、小车运行机构而设。
  (2)大车运行机构。用于拖动整台起重机顺着车间作横向运动(以驾驶者的坐向为准)。它由电动机、制动器、减速装置和车轮等组成。
    (3)小车运行机构。用于拖动吊钩及重物顺着桥架作纵向运动。它也由电动机、制动器、减速装置和车轮等组成。
    (4)起升机构。用于拖动重物作上升或下降的起升运动。它由电动机、减速装置、卷简和制动器等组成。大型起重机(超过lOt)有两个起升机构:主起升机构(主钩)和副起升机构(副钩)。通常,主钩与副钩不能同时起吊重物。桥式起重机的基本结构如图6-49所示。
    2.采用变频调逮的基本考虑
    (1)大车拖动系统
    1)主要特点:多数桥式起重机采用分别拖动方式(即两侧各用一台电动机拖动).调速范围一般在6:1以内。
    2)拖动方案:采用普通的笼型异步电动机;两台电动机可共用一台变频器,因此,只能采用V/F控制方式,变频器的容量PN应为一台电动机容最PMN的两倍以上。
    (2)小车拖动系统
    1)主要特点:只用一台变频器,由于行程较短,故调速范围较小,一般在4,1以内。
    2)拖动方案:也采用普通的笼型异步电动机,配容量等级相同的变频器,可采用V/F控制方式或无反馈矢量控制方式。
    (3)吊钩拖动系统
    1)主要特点:主钩和副钩分别用一台电动机拖动,调速范围较大,可达10:1或更大。如上所述,对于拖动系统和电磁制动器之间的配合要求很高。
    2)拖动方案:选用变频调速专用的笼型异步电动机,每台电动机分别配置变频器,采用带速度反馈的矢量控制方式。
  (4)制动方法
  采取再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
  1)首先,通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车或吊钩迅速而准确地将转速降为零(使它们停住),待电磁制动器将轴抱住后再取消运行信号。
    2)大车与小车用变频器,由于再生制动仅出现在降速过程中,再生电能通过制动电阻消耗掉即可。但对于吊钩用变频器,由于所需制动电阻的容量较大,所以体积大,且所产生的热量也相当可观,故如果经济条件许可,应尽量采用电源反馈选件。
    3)此外,如条件许可,应考虑采用大车、小车和吊钩用变频器共用直流电源的方式。
 (5)变频调速系统的控制要点
    桥式起重机拖动系统的控制动作包括:大车的左、右行及速度换挡;小车的前、后行及速度换挡;吊钩的升、降及速度换挡等。所有这些都可以通过可编程控制器进行无触点控制。
3.变频器选型
    (l)型号
    因为起重机具有四象限运行特点,所以采用无反馈矢量控制方式,选用三菱FR-540A系列变频器。
  (2)容量
  因为PMN =11kW,IMN=24. 6A,所以选SN =23. 6kVA  (15kW).IN =31A。
  4.变频调速特点
  (1)电动机和变频器接法如图6-59所示。
电动机和变频器接法
(2)功能预置见表6-27。
功能预置
  (3)电动机参数的自测定
  1)相关功能预置见表6-28。
相关功能预置
    2)变频器通电。变频器通电时,电磁制动器不通电,保持对电动机轴的抱紧状态。
    3)变换模式。变频器从编程模式切换成运行模式。
    4)“起动”电动机。如面板操作,按氐,D键或REV键,如为外接端子操作,则接通STF端子或STR端子。
5)自动测量完成。上述运行状态维持约25s,至显示屏显示“3r或“103”时,自动测量结束。如为面板操作,接STOP键,如为外接端子操作,则断开STF端子或STR端子即可。
5.起升装置的防溜钩
    (1)电磁制动器的接法如图6-60所示。
    (2)提升机变频控制电路如图6-61所示。
(3)起升装置的防溜钩控制如图6-58所示。防溜功能设置见表6-29。
防溜钩功能设置

电磁制动器的接法

  MM440变频器输入端子实现多段频率调速控制。
  1.训练目的
  (1)进一步掌握变频器基本参数的输入方法。
  (2)掌握变频器的多段速频率控制。
  2.训绋器材
  (1) MM440变频器实验操作台1套。
  (2)三相交流笼型异步电动机l台。
  3.训练内容
  MM440变频器的6个数字输入(DINI-DIN6),可以通过P0701-P0706设置实现多频控制,每一频段的频率可分别由P100I -P1015参数设置,最多可实现15频段控制。在多频段控制中,电动机转速方向是由P1001- P1015参数所设置的频率正负决定的。6个数字输入端口,哪一个可用作电动机起停控制,哪些可用作多频率控制,是由用户任意确定的。一旦确定了某一数字输入端口控制功能,其内部参数的设置值必须与端口的控制功能相对应.
    MM440变频器控制实现电动机三段速频率运转。DIN3端口设为电动机起/停控制,DINI和DIN2端口设为三段速频率输入选择,三段速度设置如下,
  第一段:输出频率为l5Hz.E邕动机转速为840 r/min;
  第二段;输出频率为35Hz.电动机转速为l960r/min;
  第三段;输出频率为50Hz,电动机转速为2800r/min。
  4.训练步骤
    (1)三段频率调速控制电路接线图如图6-62所示,可照此进行接线操作。
(2)参数设置。
    检查电路接线正确后,合上主电源开关QF.恢复变频器工厂默认值:设定P0010=30和P0970=1,按下P键,开始复位,复位过程大约为3min,这样可保证变频器的参数恢复到工厂默认值。
    设置电动机参数;电动机参数见表6-12。电动机参数设置完成后,设P0010=0,变频器当前处于准备状态,可正常运行。设置三段固定频率控制参数,见表6-30。
  (3)操作控制。
  当接下自锁按钮SB3时,数字输入端口DIN3为。“ON”,允许电动机运行。
  第一段控黼:当SB1按钮接通、SB2按钮断开时,变频器数字输入端口DINI为“ON”、端口DIN2为“OFF,变频器工作在由P1002参数所设定的频率为15Hz的第一段上,电动机运行在对应的840r/min的转速上。
第二段控制:当SB1按钮断开、SB2按钮接通时,变频器数字输入端口DIM为“OFF"、端口DIN2为“ON”,变频器工作在由P1002参数所设定的频率为35Hz的第二段上,电动机运行在对应的1960 r/min的转速上。
  第三段控制:当SBl按钮接通、SB2按钮接通时,变领器数字输入端口DINI“ON'’、端口DIN2为“ON”,变频器工作在由P1003参数所设定的频率为50Hz的第三段上,电动机运行在对应的2800r/min的转速上。
电动机停车·当SBI、SB2按钮都断开时,变频器数字输入端口DINl、DlN2均为“OFF,电动机停止运行;或在电动机正常运行的任何频段,将SB3断开使数字输入端口DIN3为“OFF’,电动机也能停止运行。
三段固定频率控制参数
5.实训考板及成绩评定
参见表6-14。

1.位能型负载的特点是什么?
2.试述提升或下放重物时出现回馈制动的两种情况。
3.传统绕线转子下放重载和变频调速系统下放重载电动机的工作状态的区别是什么?
4.什么是溜钩现象?
 
                                                     
(责任编辑:laugh521521)
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