門座式起重機的變頻調速系統設計研究

摘 要：作為起重機系統設計的關鍵環節，變頻調速系統的良好設計對于保證門式起重機的正常運行具有重要作用。文章首先介紹了門座式起重機變頻調速系統控制方式，然后具體探討了門座式起重機的變頻調速系統設計，以期為相關技術與設計人員提供參考。

關鍵詞：門式起重機；變頻調速系統；設計

傳統的門座式起重機多選用繞線式異步電機轉子串電阻的有級調速方法，此種方式形成的起動電流較大，容易對設備產生異常沖擊，導致機械結構部件發生損壞，嚴重時則會縮短設備正常使用年限。而變頻調速系統，能在較大范圍內進行高效連續調速控制，可完成正反轉切換，可實現高頻度起停運轉及電氣制動，且占用電源容量較小，是一種較為理想的控制方式。因此，加強有關門座式起重機變頻調速系統設計研究，對于改善門座式起重機調速水平具有重要現實意義。

1 門座式起重機變頻調速系統控制方式

1.1 矢量控制方式

通常的矢量控制型變頻器的數字給定分辨率能夠達到0.001Hz，高限輸出頻率可保持在120Hz～650Hz范圍內，可在緊湊型異步電動機、恒磁同步電機、磁阻電機和標準異步電動機等電機系統內應用，功率范圍可控制在2.2kW～1500kW之間。在選用矢量控制變頻器時，電動機極數應與變頻器規定極數相一致；在動態指標相對控制較為嚴格時，或需進行閉環轉矩控制時，或轉速精度控制較高時，應進行轉速反饋；根據矢量控制過程原理，一臺適量控制變頻器應單獨對應一臺電動機，才可實現變頻器的矢量控制。可精確探測并調控由磁通和轉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，磁通和轉矩計算準確性可能較差，但調速系統穩態精度并不會發生改變。所以，若生產工藝在動態性能方面要求不高，不應隨意增大速度反饋。[1]

1.2 v/f控制方式

通常的v/f型變頻器的模擬與數字給定分辨率可分別達到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、磁阻電動機和便準異步電動機系統內使用。該控制方式對電力系統的波動范圍要求是：頻率應為±6%，電壓應為±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，用戶可依據負載狀況選擇恰當的曲線。因標量控制算法無需速度及電機模型數據，所以速度閉環可用于促進實現電機的速度跟蹤特性。因v/f控制自身控制技術為標量的，這在一定程度上約束了變頻器的動靜態特征。因此，開環控制方式是其主要應用方式。

2 門座式起重機變頻調速系統設計

2.1 變頻調速系統主電路

門座式起重機變頻調速系統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，操控人員利用主令控制器對電動機正反轉及速度檔位進行調整，可編程控制器在接收操控命令后實施程序運算，同時向中間繼電器線圈通電，對中間繼電器的主觸頭吸合進行控制，由此連通變頻器線路，保證電動機運轉。變頻器內的零速信號和故障輸出信號會反饋到可編程控制器內，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生故障時，可編程控制器可隨時中止輸出運行命令。

2.2 變頻器選型

選擇變頻器時應考慮以下內容：（1）在電網電壓異常時，可能會對變頻器造成損傷，所以對于電網電壓高于變頻器限定范圍的場合，應使用變壓器進行調整，以保證變頻器運行的安全性；（2）在工作溫度長時間較高的條件下，若變頻器安置在通風冷卻較差的機柜內時，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℃則使用壽命會相應降低50%。所以工作環境溫度應保持在一定范圍內，除安置有效的通風冷卻系統以確保變頻器安全運行，在選型時還應盡量增大一個容量等級，以確保在額定運行時，溫升會適當降低；（3）對于通用變頻器選用v/f常數控制方式即可滿足使用要求，對于負載范圍較大，且工作精度要求較高的，尤其是在低速運行時要求具有恒定負載性能及速度的，則應選用矢量變頻器。[2]

本系統工作環境溫度一般保持在0～40℃范圍內，依據變頻器選用原則，可使用Varispeed G7系列變頻器。此種變頻器可進行停止型自學習，采用無PG矢量2控制，即便在沒有PG狀態下也能進行力矩控制，且能對電機上的沖擊電壓進行良好抑制。起升機構采用G7A4132型變頻器，最高適用電機容量可達到132kW，變幅機構采用G7A4045型變頻器，最高適用電機容量可達45kW。起升與變幅機構都選用適量控制方式，一臺變頻器對應一臺電動機。

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，結合自動控制技術、半導體集成技術、數字技術、計算機技術和通信網絡技術研發形成的通用工業自動控制設備。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、通信接口等部分構成。為保證系統可靠性，設計時應考慮以下幾點：（1）做好系統失壓保護；在起重機裝卸場地，供電水平通常較低，低電壓、波動、干擾等異常情況多發，其都會影響可編程控制器的運行。雖然多數可編程控制均具備較強的電源適應能力，但選用高性能的穩壓電源可大幅度增加系統可靠性；在程序開發時，還應考慮失壓狀態下系統初始狀態的恢復與聯鎖；（2）應保證輸出模塊負荷存在一定余地，減小輸出端口負荷的基本方式是在模塊內布置相應的功率放大環節，也就是采用保持功率與吸合功率都較小的中間繼電器實施切換；（3）應加強對輸出模塊的外電路保護，為避免由于外電路短路問題導致輸出端口損傷，應在輸出口安置短路保護裝置。設計可選用歐姆龍C200HE系列可編程控制器，該種控制器包含一個CPU模塊、一個電源模塊、四塊輸出模塊和六塊輸入模塊。[3]

2.4 電動機選型

門座式起重機的變幅電動機和起升電動機工作要求相對較高，應盡量選用籠型轉子異步電動機。變頻電動機主要采用PWM調制電壓波實施傳動，在無輸出濾波器的系統內會產生大量的高次諧波，此類諧波容易對電動機運行產生干擾，引發電動機發熱。所以在設計變頻電動機時應保證有良好的冷卻風道。另外，因變頻電動機可在零速狀態與低頻狀態工作，電動機風道難以進行熱量交換，所以大功率變頻電動機應設置冷卻風機。

2.5 選擇恰當的制動單元與制動電阻

設計科選用直流制動、再生制動與電磁機械制動組合方法。為保證制動單元內功率管不會被沖擊，制動電阻應依據以下公式進行計算：

其中P表示電機功率，Uc表示制動時母線上的電壓，R表示制動電阻。若變幅機構選用兩組CDBR-4045制動單元進行并聯運行，則各制動單元的制動電阻應控制在8Ω左右。

3 結束語

變頻調速系統的設計質量直接關系到門座式起重機的運行質量及經濟效益，因此，相關技術與研究人員應加強有關門座式起重機變頻調速系統設計研究，總結變頻調速系統設計要點及關鍵環節設計措施，以逐步提升變頻調速系統應用水平。

參考文獻

[1]秦凡.門座式起重機變幅機構的變頻調速系統研究[D].武漢理工大學，2010，5（35）：57-58.

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

[3]徐德麟，胡申明，沈 .變頻技術簡介及安川起重機電控系統應用[J].港口科技，2012，13（14）：74-75.

作者簡介：董錦昭（1987-），男，河北唐山人，學歷：本科，工作單位：曹妃甸港集團股份有限公司，技術保障科科長，研究方向：設備管理。