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变频调速在桥式起重机中的应用
来源:  |  发布时间:2014/10/2 22:18:14  |  浏览次数:

随着科学技术的发展和创新,变频调速技术已被广泛应用于工业生产中,其中应用于起重机械行业更为突出。这是因为变频调速技术具有效率高、调速范围宽、调速精度高、起动/制动平稳且冲击小、可实现无极调速及节约电能等优点。而到目前为止,国内大部分桥式起重机仍然使用传统的绕线式电动机转子串电阻调速方式,实现对起重机上各机构起停及运行速度的控制;但该传统调速方式只能进行有级调速,起动/制动冲击电流大,存在大量的转差功率消耗于转子串接的电阻上,致使电机的机械特性很软,调速精度差、范围小,并且对电动机的电刷、滑环及制动器有比较大的冲击,维修率较高。所以,为满足生产需要,提高设备的效益,降低维修率,节约电能等方面考虑,现利用变频调速技术与PLC控制相结合对桥式起重机中进行设计、安装、调试及研究。
  一、桥式起重机的简述
  桥式起重机是目前在工矿企业中应用十分广泛的一种起重搬运吊装设备。其一般分为三个基本
  机构:用于提升重物的起升机构、用于移动重物的横向移动机构(即桥式起重机的小车运行机构)和用于移动重物的纵向移动机构(即桥式起重机的大车运行机构),如图1桥式起重机结构图。

 其中桥式起重机的起升机构是通过控制三相异步电动机的正反转,经过联轴器和减速器带动绕有钢丝绳的卷筒,使吊钩升或降。而桥式起重机的两个移动机构,也分别是通过控制三相异步电动机的正反转,经过联轴器和减速器带动车轮转动。
  二、桥式起重机变频调速的概述
  桥式起重机变频调速的工作原理:在异步电动机的极对数p和转差率s一定的情况下,只改变异步电动机的供电电源频率f,就可以实现对异步电动机的调速。但当供电电源频率f小于电动机的额定工作频率内变化时,因端电压U (式中:E1-感应电动势、f-供电电源频率、w—串联匝数、 k—绕组系数、φ-电机的磁通),只有维持U/f为常数,才能保证电机的磁通φ不变,保证电动机的性能不变。而当供电电源频率f大于电动机的额定工作频率时,电动机转速超过额定转速,若仍维持U/f为常数,端电压U将超过电动机额定电压,这是不允许的,因此,在实现额定转速以上的调速时,应保持电源电压不变并为额定值,仅使供电电源频率f增加,电动机磁通φ将减少,输出转矩也将随之下降,而输出功率近似恒定。
  桥式起重机变频调速方式一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接转矩控制方式。其中起重机的起升机构一般采用闭环的矢量控制方式或闭环的直接转矩控制方式;而移动机构一般开环的U/f控制方式或开环的矢量控制方式。
  桥式起重机变频调速一般分起升机构变频调速和移动机构变频调速,其主要由机构中的变频电机、变频器、控制器件及线路保护开关等组成。但为了防止变频器对外界的干扰和对自身的保护、以及提高电机控制的精度,一般在变频器周围配有AC/DC电抗器、制动单元及制动电阻、滤波器及传输卡件等。而其中,根据桥式起重机机构用途的不同,在起升机构所用的变频电机内都配备有光电旋转编码器,提高调速精度和响应速度。同时控制器件采用PLC与继电器相结合,取代过去采用交流接触器控制,使控制系统可靠性高、应用灵活、线路简单、易于使用及故障率低等。
  三、桥式起重机的变频调速设计
  1、桥式起重机变频调速的硬件选择
  (1)变频电机的选择
   a、起升机构变频电机应满足: (式中:P-电机容量(kw); G-额定重量(kg),应考虑125%的过载能力 v-额定线速度(m/min); η-机械效率)。
   b、移动机构变频电机应满足: (式中:P-电机容量(kw); u—移动阻力(kg); V—额定速度(m/min);η—机械效率)。在室外的情况下,移动阻力中还须包括风阻和由于移动路径的倾斜度(水平度)而加大的阻力等。
  (2)变频器的选择
   在选择桥式起重机各机构变频器的容量时,通常用变频器的输出电流作为选择条件。变频器的铭牌输出电流I1应满足以下条件: (或
  (式中: Ie-电动机额定电流;I0-电动机最大工作电流,为静载电流和动载电流之和;K0-安全系数,重复短时工作制一般场合取11.1 K1-最大负载系数,即所需最大转距与电动机额定转距之比;K2-余量系数,一般取1.2 K3-变频器过载能力系数,见产品手册。)
  (3)制动电阻及制动单元的选择
  制动电阻阻值的计算基准:变频电机再生电能必须被制动电阻完全吸收,即满足RV2/Pe×Kc ;而制动单元按制动电流选择,即满足 (式中:R-制动电阻等效电阻值;V制动单元直流工作点电压,一般取700VPe-电机额定功率;Kc-制动频度,在桥式起重机中取0.20.4K-回馈时的机械能转换效率,一般取0.7)
  (4)可编程控制器(PLC)的选择
  在桥式起重机中,由于各机构的控制档位一般为5档,那么每个机构所需的PLC总点数一般在1920个点。对一台三个机构的桥式起重机一般所需的总点数在60个左右。
  (5)其它电气元器件按有关标准进行选择,在此不作详细说明。
  2、桥式起重机变频调速的电气图设计
  现以安川变频器为例,主要说明桥式起重机变频调速部分的电气图设计。桥式起重机起升机构变频调速的电气原理图如图2所示。起升机构变频电机内配有旋转编码器,与安装在变频器内的速度卡连接,构成速度闭环控制。变频器上的S1S7SCMAMBM1M2等控制点和控制电机风扇运行接触器K7及制动器动作接触器K8的线圈控制线路分别与所选PLC的输入、输出及电源点连接,通过PLC内部程序的运行,实现对起升机构变频调速闭环控制。在变频器电源输入端子(RST)和电源之间,配有漏电断路器Q1AC电抗器。其中漏电断路器Q1的容量为变频器额定电流的1.8倍,感应电流在30mA以上,可以检出对人体有危险的高频漏电流,防止事故的发生;而其AC电抗器和变频器内的DC电抗器可有效改善电源侧的功率因数,降低对外界的干扰。

 桥式起重机移动机构变频调速的电气原理如图3所示。移动机构变频调速为开环控制,无需配旋转编码器及速度卡。其它线路设计与起升机构类似。

3、桥式起重机变频调速的程序设计
  桥式起重机变频调速的程序设计其实就是对所选PLC内的程序设计。 PLC的程序设计一般采用梯形图或指令表两种方式进行程序设计。桥式起重机变频调速的PLC程序分两部分:运行控制程序和通信接口程序。一般桥式起重机变频调速主要的程序是运行控制程序,而对于通信接口程序只有在PLC配有触摸屏时才会涉及到。桥式起重机每个机构的运行控制程序基本由电气保护、档位控制、制动器及电机风扇运行程序段组成。其中档位控制就是桥式起重机司机室内联动控制台的档位变化,通过PLC内的程序运行,控制变频器的多段速指令变化,而使变频器输出频率随档位变化而按预设好的频率发生变化。
  四、桥式起重机变频调速的安装调试
  桥式起重机变频调速控制柜在柜内安装时,变频器上下离柜体或其它元件的距离应在120mm以上,左右离柜体或其它元件的距离应在30mm以上,而且变频器和PLC最好不要在同一个柜内,避免相互间的影响。变频器和PLC的控制回路接线应采用屏蔽电缆,尽可能与动力线分离走线。变频器及PLC的接地采用C种接地,与电焊机、动力设备等接地分离,其接线应尽可能短。
  桥式起重机变频调速的调试一般有以下几步:(1)调试前对所有设备、线路接线进行检查,测量电气线路在运输安装过程的损伤情况,以及电网供电是否存在缺相现象;(2)将预先设计好的程序输入到PLC内,这步也可在柜体制作过程中进行;(3)对变频器上电检查后,通过变频器上的控制屏对电机进行点动操作,看其旋转方向是否正确;然后选择适合电机的自学习方式,对电机进行自学习。若选择了旋转型自学习,就必须将负载脱离,并确保电机可安全旋转;(4)设置所选控制模式对应的参数及其它相应参数(其具体设置参见各自所选的变频器使用手册),并确定所有设备通电均无异常后,进行桥式起重机空载调试。(5)空载调试好后,带上额定负载进行满负载调试。在满负载调试时,适当改变变频器的加减速时间参数值,使加减速时间调整达到最佳值。若起升机构满负载运行时,出现明显的溜钩想象,就需要调整变频器内的制动参数。
  五、结束语
  桥式起重机采用变频调速后,经过实际应用,运行效果良好,性能稳定可靠,故障维修率明显减少,达到了用户的预期目标,为用户创造了极大的经济效益,受到了许多用户的好评。


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