橋式抓斗吊車變頻調(diào)速方案
橋式起重機(jī)械工況分析
橋式起重吊車（又稱行車）是工況企業(yè)中十分常用的一種起重機(jī)械，主要結(jié)構(gòu)分為：橋架、大車行走機(jī)構(gòu)、小車行走機(jī)構(gòu)及起升機(jī)構(gòu)。其中，大車及小車機(jī)構(gòu)帶動吊車前后左右行走，起升機(jī)構(gòu)拖動重物負(fù)載上下運(yùn)動。
吊車的大車、小車及起升機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中，其阻轉(zhuǎn)矩基本不變，可看作為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。重物上升時，電動機(jī)克服重力做功，屬于阻力負(fù)載；重物下降時，當(dāng)重力大于傳動機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時，重物的位能成為下降的動力，電動機(jī)處于再生制動狀態(tài)，此時重物屬于動力負(fù)載。
原型拖動方案
繞線式電機(jī)主電路如左圖所示：通過滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入若干段電阻，由接觸器來控制接入電阻的多少，從而控制轉(zhuǎn)速。該方案存在下述問題：
1．設(shè)備故障率高
因工礦企業(yè)工作環(huán)境差，風(fēng)塵、腐蝕性氣體等極易對電機(jī)滑環(huán)、碳刷及接觸器造成不良影響，加之電機(jī)啟動頻繁，電流及機(jī)械沖擊大，因此月平均故障率可高達(dá)數(shù)次；
2．控制線路復(fù)雜
電機(jī)調(diào)速級數(shù)越多，需要接入的接觸器就越多，這使得控制線路十分復(fù)雜，故障查除困難；
3．熱功率損耗大
轉(zhuǎn)子回路串入電阻后，電機(jī)損耗功率以熱能形式釋放，能量不能回收，電阻需定時更換。
4. 能耗分析
線繞式異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子回路串入電阻后，其機(jī)械特性如下圖所示。
因轉(zhuǎn)差變大，機(jī)械特性變“軟”，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的情況下，拖動系統(tǒng)的工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)，轉(zhuǎn)速由n1降為n2。其定子電磁輸入功率分配情況如下：
1. 電磁輸入功率為：
Pin = TL·n0
2. 電機(jī)輸出功率為（曲線②）：
Pout = TL·n2
3. 電機(jī)損失功率為（曲線②）：
△P = TL·( n0- n2 )
如上圖所示，①、②號曲線分別為線繞式電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入電阻前、后的機(jī)械特性曲線。圖中陰影部分表明電機(jī)在串入調(diào)速電阻后，其功率損失增大許多，且機(jī)械特性偏“軟”，電機(jī)驅(qū)動能力明顯下降。
提升機(jī)變頻調(diào)速方案
近年來，隨著變頻技術(shù)的日益成熟，以及變頻器價格的不斷降低，變頻調(diào)速技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，加之國家對節(jié)電節(jié)能技術(shù)的積極推廣，起重機(jī)械的變頻改造已成為趨勢。
深圳市英威騰電氣有限公司作為國內(nèi)主要變頻器專業(yè)制造商，始終致力于變頻器的市場推廣與行業(yè)應(yīng)用。2004年推出的CHV系列高性能矢量變頻器，已廣泛應(yīng)用于注塑機(jī)械、提升機(jī)械、拉絲機(jī)械、紡織機(jī)械、數(shù)控機(jī)床等要求較高的場合。下文將以CHV矢量變頻器為核心，詳細(xì)闡述提升機(jī)械變頻調(diào)速方案。
● 工藝要求及變頻控制要點(diǎn)
1．調(diào)速范圍
大型吊車多采用有級調(diào)速，速度檔位選擇常采用凸輪控制器，調(diào)速比一般小于10；CHV高性能矢量變頻器具有16段速設(shè)定功能，在閉環(huán)矢量控制模式下，其調(diào)速范圍高達(dá)1：1000，可輕松滿足需求；
2．制動定位
大車、小車及起升機(jī)構(gòu)都要求有定位功能，較重負(fù)載制動定位時，拖動電機(jī)常處于再生制動狀態(tài)；變頻調(diào)速時，需加裝制動電阻，采用電制動與機(jī)械制動相結(jié)合的制動方式，以確保準(zhǔn)確停車；
3．吊鉤啟動
吊鉤從地面拖動重物啟動時，為避免機(jī)械沖擊，啟動檔的速度不能過快；CHV變頻器具有豐富的加減速預(yù)設(shè)曲線，吊鉤啟動可選擇“S”型加速曲線，保證加速過程平穩(wěn)順暢；
4．溜鉤處理
吊鉤拖動重物起停時，電動機(jī)與抱閘裝置配合不當(dāng)，容易造成重物滑落，即所謂“溜鉤”問題； CHV變頻器在閉環(huán)矢量控制模式下，0Hz運(yùn)行時最大可輸出180%的額定轉(zhuǎn)矩，能很好解決吊車溜鉤問題。
● 節(jié)能分析
圖中曲線①為電機(jī)調(diào)速前的機(jī)械特性，曲線③為電機(jī)變頻調(diào)速后的機(jī)械特性。對比可知，變頻器調(diào)速的一個顯著優(yōu)點(diǎn)就是在調(diào)速的同時能夠調(diào)整供電電壓，使電機(jī)的機(jī)械硬性基本保持不變。相比繞線式異步電機(jī)的轉(zhuǎn)差調(diào)速，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的情況下，變頻調(diào)速具有較好的節(jié)能效果。其電磁輸入功率分配情況如下：
1．電磁輸入功率為：
Pin’ = TL·n
2．電機(jī)輸出功率為（曲線③）：
Pout = TL·n2
3．電機(jī)損失功率為（曲線③）：
△P = TL·( n
● 變頻器電控方案
深圳市英威騰電氣有限公司成功改造的橋式抓斗吊車電機(jī)參數(shù)及需選配變頻器清單如下：
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機(jī)組 |
機(jī)型 |
數(shù)量 |
選配變頻器 |
數(shù)量 |
備注 |
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大車電機(jī) |
7.5KW |
2 |
CHV100-7R5-4 |
2 |
配制動電阻、防塵外殼 |
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小車電機(jī) |
3.5KW |
1 |
CHV |
1 |
配制動電阻；配防塵外殼 |
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提升電機(jī) |
37KW |
1 |
CHV100-037-4 |
1 |
有PG矢量控制，配置PG卡、制動單元、制動電阻、防塵外殼 |
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抓斗電機(jī) |
37KW |
1 |
CHV100-037-4 |
1 |
配置制動單元、制動電阻、防塵外殼 |
電控方案說明：
1、提升電機(jī)的變頻器需選配PG卡，采用有PG矢量控制；其余變頻器均采用無PG矢量控制；
2、原繞線式電機(jī)可不必更換，但需把 電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電刷舉起，且轉(zhuǎn)子的出線頭要短接，如左圖所示：
3、所有變頻器均需選配制動電阻或制動單元（15KW以上變頻器制動單元外置）；
4、因應(yīng)用現(xiàn)場吊車是在粉塵較大的水泥生產(chǎn)車間使用，因此所有變頻器均需選配專用防粉防塵外殼；
以提升電機(jī)為例，其主電路示意圖如下：
用變頻器運(yùn)行信號控制電磁抱閘；變頻器在有PG矢量控制模式下，0Hz運(yùn)行時可輸出180%額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間在20ms以內(nèi)，完全可滿足吊車的應(yīng)用要求，有效避免溜鉤問題及起停抖動問題；
當(dāng)然，對于一些高檔提升機(jī)械，還會應(yīng)用到PLC來進(jìn)行對提升機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、橫動機(jī)構(gòu)進(jìn)行集中控制，實(shí)現(xiàn)多種功能，控制簡易示圖如下：
變頻器的外圍接線配置圖如下：
總結(jié)
深圳市英威騰電氣有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的CHV系列高性能矢量型變頻器成功應(yīng)用于橋式吊車領(lǐng)域，有效滿足吊車的控制工藝要求，并得到客戶的一致認(rèn)同。英威騰公司提出的吊車變頻控制方案，推動了吊車電氣控制技術(shù)的發(fā)展，完全滿足吊車的軟啟動、軟停車、無沖擊、平滑調(diào)速功能，有效降低系統(tǒng)的能耗及機(jī)械的維護(hù)成本，延長機(jī)械的使用壽命。