摘 要：作為起重機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，變頻調(diào)速系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)對于保證門式起重機(jī)的正常運(yùn)行具有重要作用。文章首先介紹了門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式，然后具體探討了門座式起重機(jī)的變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)技術(shù)與設(shè)計(jì)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：門式起重機(jī)；變頻調(diào)速系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的門座式起重機(jī)多選用繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的有級調(diào)速方法，此種方式形成的起動電流較大，容易對設(shè)備產(chǎn)生異常沖擊，導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)部件發(fā)生損壞，嚴(yán)重時(shí)則會縮短設(shè)備正常使用年限。而變頻調(diào)速系統(tǒng)，能在較大范圍內(nèi)進(jìn)行高效連續(xù)調(diào)速控制，可完成正反轉(zhuǎn)切換，可實(shí)現(xiàn)高頻度起停運(yùn)轉(zhuǎn)及電氣制動，且占用電源容量較小，是一種較為理想的控制方式。因此，加強(qiáng)有關(guān)門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，對于改善門座式起重機(jī)調(diào)速水平具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方式

1.1 矢量控制方式

通常的矢量控制型變頻器的數(shù)字給定分辨率能夠達(dá)到0.001Hz，高限輸出頻率可保持在120Hz～650Hz范圍內(nèi)，可在緊湊型異步電動機(jī)、恒磁同步電機(jī)、磁阻電機(jī)和標(biāo)準(zhǔn)異步電動機(jī)等電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用，功率范圍可控制在2.2kW～1500kW之間。在選用矢量控制變頻器時(shí)，電動機(jī)極數(shù)應(yīng)與變頻器規(guī)定極數(shù)相一致；在動態(tài)指標(biāo)相對控制較為嚴(yán)格時(shí)，或需進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制時(shí)，或轉(zhuǎn)速精度控制較高時(shí)，應(yīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速反饋；根據(jù)矢量控制過程原理，一臺適量控制變頻器應(yīng)單獨(dú)對應(yīng)一臺電動機(jī)，才可實(shí)現(xiàn)變頻器的矢量控制?？删_探測并調(diào)控由磁通和轉(zhuǎn)矩形成的電流是矢量控制的前提，在選用無速度反饋適量控制時(shí)，磁通和轉(zhuǎn)矩計(jì)算準(zhǔn)確性可能較差，但調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度并不會發(fā)生改變。所以，若生產(chǎn)工藝在動態(tài)性能方面要求不高，不應(yīng)隨意增大速度反饋。[1]

1.2 v/f控制方式

通常的v/f型變頻器的模擬與數(shù)字給定分辨率可分別達(dá)到0.04Hz和0.01Hz，高限輸出頻率可保持在120Hz～650Hz之間，可在恒磁同步電動機(jī)、磁阻電動機(jī)和便準(zhǔn)異步電動機(jī)系統(tǒng)內(nèi)使用。該控制方式對電力系統(tǒng)的波動范圍要求是：頻率應(yīng)為±6%，電壓應(yīng)為±15%。通用變頻器的基本控制特性為電壓頻率恒定，部分變壓器還有其他類型的控制特性曲線，用戶可依據(jù)負(fù)載狀況選擇恰當(dāng)?shù)那€。因標(biāo)量控制算法無需速度及電機(jī)模型數(shù)據(jù)，所以速度閉環(huán)可用于促進(jìn)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度跟蹤特性。因v/f控制自身控制技術(shù)為標(biāo)量的，這在一定程度上約束了變頻器的動靜態(tài)特征。因此，開環(huán)控制方式是其主要應(yīng)用方式。

2 門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路

門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路通常包含電抗器、斷路器、制動單元、變頻器和接觸器幾部分。工作時(shí)，操控人員利用主令控制器對電動機(jī)正反轉(zhuǎn)及速度檔位進(jìn)行調(diào)整，可編程控制器在接收操控命令后實(shí)施程序運(yùn)算，同時(shí)向中間繼電器線圈通電，對中間繼電器的主觸頭吸合進(jìn)行控制，由此連通變頻器線路，保證電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。變頻器內(nèi)的零速信號和故障輸出信號會反饋到可編程控制器內(nèi)，零速信號用于控制器編程完成零速剎車，而故障輸出信號則用于在變頻器產(chǎn)生故障時(shí)，可編程控制器可隨時(shí)中止輸出運(yùn)行命令。

2.2 變頻器選型

選擇變頻器時(shí)應(yīng)考慮以下內(nèi)容：（1）在電網(wǎng)電壓異常時(shí)，可能會對變頻器造成損傷，所以對于電網(wǎng)電壓高于變頻器限定范圍的場合，應(yīng)使用變壓器進(jìn)行調(diào)整，以保證變頻器運(yùn)行的安全性；（2）在工作溫度長時(shí)間較高的條件下，若變頻器安置在通風(fēng)冷卻較差的機(jī)柜內(nèi)時(shí)，會縮短變頻器使用壽命，對于電解電容器等部件在高于限定溫度條件下，每增大10℃則使用壽命會相應(yīng)降低50%。所以工作環(huán)境溫度應(yīng)保持在一定范圍內(nèi)，除安置有效的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)以確保變頻器安全運(yùn)行，在選型時(shí)還應(yīng)盡量增大一個(gè)容量等級，以確保在額定運(yùn)行時(shí)，溫升會適當(dāng)降低；（3）對于通用變頻器選用v/f常數(shù)控制方式即可滿足使用要求，對于負(fù)載范圍較大，且工作精度要求較高的，尤其是在低速運(yùn)行時(shí)要求具有恒定負(fù)載性能及速度的，則應(yīng)選用矢量變頻器。[2]

本系統(tǒng)工作環(huán)境溫度一般保持在0～40℃范圍內(nèi)，依據(jù)變頻器選用原則，可使用Varispeed G7系列變頻器。此種變頻器可進(jìn)行停止型自學(xué)習(xí)，采用無PG矢量2控制，即便在沒有PG狀態(tài)下也能進(jìn)行力矩控制，且能對電機(jī)上的沖擊電壓進(jìn)行良好抑制。起升機(jī)構(gòu)采用G7A4132型變頻器，最高適用電機(jī)容量可達(dá)到132kW，變幅機(jī)構(gòu)采用G7A4045型變頻器，最高適用電機(jī)容量可達(dá)45kW。起升與變幅機(jī)構(gòu)都選用適量控制方式，一臺變頻器對應(yīng)一臺電動機(jī)。

2.3 可編程控制器選型

可編程控制器是一種基于微處理器技術(shù)，結(jié)合自動控制技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研發(fā)形成的通用工業(yè)自動控制設(shè)備。可編程控制器主要由通信接口、存儲器、智能接口模塊、中央處理單元、編程裝置、通信接口等部分構(gòu)成。為保證系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）做好系統(tǒng)失壓保護(hù)；在起重機(jī)裝卸場地，供電水平通常較低，低電壓、波動、干擾等異常情況多發(fā)，其都會影響可編程控制器的運(yùn)行。雖然多數(shù)可編程控制均具備較強(qiáng)的電源適應(yīng)能力，但選用高性能的穩(wěn)壓電源可大幅度增加系統(tǒng)可靠性；在程序開發(fā)時(shí)，還應(yīng)考慮失壓狀態(tài)下系統(tǒng)初始狀態(tài)的恢復(fù)與聯(lián)鎖；（2）應(yīng)保證輸出模塊負(fù)荷存在一定余地，減小輸出端口負(fù)荷的基本方式是在模塊內(nèi)布置相應(yīng)的功率放大環(huán)節(jié)，也就是采用保持功率與吸合功率都較小的中間繼電器實(shí)施切換；（3）應(yīng)加強(qiáng)對輸出模塊的外電路保護(hù)，為避免由于外電路短路問題導(dǎo)致輸出端口損傷，應(yīng)在輸出口安置短路保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)可選用歐姆龍C200HE系列可編程控制器，該種控制器包含一個(gè)CPU模塊、一個(gè)電源模塊、四塊輸出模塊和六塊輸入模塊。[3]

2.4 電動機(jī)選型

門座式起重機(jī)的變幅電動機(jī)和起升電動機(jī)工作要求相對較高，應(yīng)盡量選用籠型轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)。變頻電動機(jī)主要采用PWM調(diào)制電壓波實(shí)施傳動，在無輸出濾波器的系統(tǒng)內(nèi)會產(chǎn)生大量的高次諧波，此類諧波容易對電動機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生干擾，引發(fā)電動機(jī)發(fā)熱。所以在設(shè)計(jì)變頻電動機(jī)時(shí)應(yīng)保證有良好的冷卻風(fēng)道。另外，因變頻電動機(jī)可在零速狀態(tài)與低頻狀態(tài)工作，電動機(jī)風(fēng)道難以進(jìn)行熱量交換，所以大功率變頻電動機(jī)應(yīng)設(shè)置冷卻風(fēng)機(jī)。

2.5 選擇恰當(dāng)?shù)闹苿訂卧c制動電阻

設(shè)計(jì)科選用直流制動、再生制動與電磁機(jī)械制動組合方法。為保證制動單元內(nèi)功率管不會被沖擊，制動電阻應(yīng)依據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中P表示電機(jī)功率，Uc表示制動時(shí)母線上的電壓，R表示制動電阻。若變幅機(jī)構(gòu)選用兩組CDBR-4045制動單元進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行，則各制動單元的制動電阻應(yīng)控制在8Ω左右。

3 結(jié)束語

變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量直接關(guān)系到門座式起重機(jī)的運(yùn)行質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)門座式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，總結(jié)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)措施，以逐步提升變頻調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)用水平。

參考文獻(xiàn)

[1]秦凡.門座式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速系統(tǒng)研究[D].武漢理工大學(xué)，2010，5（35）：57-58.

[2]趙曉明，鮑春宇.變頻器在門座式起重機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011，6（10）：61-62.

[3]徐德麟，胡申明，沈 .變頻技術(shù)簡介及安川起重機(jī)電控系統(tǒng)應(yīng)用[J].港口科技，2012，13（14）：74-75.

作者簡介：董錦昭（1987-），男，河北唐山人，學(xué)歷：本科，工作單位：曹妃甸港集團(tuán)股份有限公司，技術(shù)保障科科長，研究方向：設(shè)備管理。