變頻調速在位能負載中的應用

何繼平 盧秀珍

摘要：隨著變頻技術的日趨成熟，它在工業生產的各個領域發揮了重大的作用。本文通過將變頻調速技術引入典型位能性負載——橋式起重機的介紹，闡述了變頻調速在位能負載中應用的可能性及它有利的一面。

關鍵詞：變頻調速；位能；應用

橋式起重機、抓斗起重機、行車、卷揚機等這一類生產機械一般都是為了提升重物而設計的，它們具有位能負載的特性，屬于恒轉矩類負載，即轉矩大小與轉速n無關。這一類位能負載它們有一個共同的特點：電機都選用繞線式電機YR或YZR，通過分級切換轉子所串電阻來實現調速的目的。這種控制方式往往需要有龐大的控制系統，如切換用的分級切換接觸器、正反轉接觸器及控制繼電器、電阻器等，體積龐大且維修量較大，又浪費電能。起升或下降重物的過程中頻繁切換，對生產機械及電氣元件的壽命造成了影響。如果將變頻調速引入原系統，則可取得良好的效果。以下通過將變頻器應用到32/5T橋式起重機為例說明，變頻調速技術在位能負載應用中的優越性。

一、采用變頻器的系統構成

鑒于變頻調速改造是在原系統基礎上進行的，所以應本著大體上不改變原系統構成方式、經濟、簡約的原則來構成系統。系統構成框圖如圖1所示。原橋式起重機共有大車、小車、主鉤和副鉤5臺電機，大小車均使用凸輪控制器直接串入電機定子主回路、轉子主回路進行切換調速，因為它考慮到大小車電機容量較小，不用增加附助的接觸器，所以本著經濟的原則可以不改變原大小車的控制方式，仍然采用凸輪控制器控制大小車的運行、調速。主鉤電機因容量較大，原設計采用正反轉接觸器及四級分級切除電阻接觸器控制電機的運行、調速，我們可以采用一臺變頻器來替代正反轉及四個分級接觸器，將原電機轉子回路短接使用，而不需要更換電機。原主鉤主令控制器改為變頻器的速度與方向給定源，利用不同的檔位給出不同的方向和多級速度，輸入到變頻器的輸入端。限位保護、變頻故障、零位保護、失壓保護統一由一個繼電器邏輯完成。機械制動器仍然必要，除了機械制動還需增加制動電阻，即在下放重物時若電機運行至再生發電狀態，再生的電能將由變頻器直流回路上接入的制動電阻消耗掉，同時產生制動力矩。副鉤的變頻改造同主鉤，也采用一臺變頻器控制副鉤的運行、調速。

二、采用變頻調速時電動機運行狀態分析

大小車控制方式沒有改變，因此它的電動機機械特性沒改變。主鉤和副鉤采用變頻調速時的機械特性如圖2所示，是一組平行的曲線，變頻器輸出頻率變化時，電機機械特性上下平移，而不是像切換電阻調速時那樣特性變軟，因此具有較好的機械特性。在第1象限電機的上升段，隨著上升三種給定頻率，對應著三條特性曲線n1、n2、n3，電動機正向電動運行。在第3象限下降段，隨著下降三種給定頻率，對應著三條特性曲線n1'、n2'、n3'，電動機反向電動運行。若由于負載較重，則進入第4象限，電機處于再生發電制動狀態，電機上施加的是正方向轉矩，而貨物以負方向高速下放直至一個穩定的轉速，再生的電能回饋至制動電阻消耗掉。若負載需要低速下放，可以在低給定頻率處運行。由于采用了變頻調速，原橋式起重機中存在的倒拉反接制動及單相制動狀態將不存在，可以將原系統中相關部分取消。因不用串電阻調速，一方面可以將電阻器取消，以減少維護量及維修成本，另一方面由于調速時不再將轉子電能消耗在電阻上，這樣可以節約大量的電能，而起重機大部分時間是工作在輕載低速段，所以節約的電能更為可觀。

三、變頻器及制動組件的選型

橋式起重機電機常常工作在頻繁的起動、調速、制動工作狀態，同時經常承受較大的過載和機械沖擊，為此，這類電動機具有較高的過載能力，一般為2.2-2.8倍，負載性質為重復短時工作制。選用適當容量的變頻器，就可以保證電機具有的過載能力，而且可以不致于使變頻器經常跳閘影響生產。ABB的變頻器重載應用具有150%每五分鐘過載一分鐘的過載能力，瞬態過載力矩也只能達到180%--200%，所以必須加大變頻器容量等級。例如：32/5T橋式起重機主鉤電機為55KW，就應選擇高于此等級的變頻器容量等級75KW。此外，為了防止溜鉤，即機械制動器在抱住之前和松開之后的瞬間，發生重物由停住狀態下滑的現象，需要選用具有零速時滿轉矩和直流強勵磁功能的變頻器，以有效防止溜鉤。ABB變頻器就具有這一功能，再配上ABB變頻器的ACC提升機應用宏和抱閘控制邏輯效果更佳。另外，由于橋式起重機工作場合環境比較惡劣，粉塵大、空氣潮濕、振動，所以應選用防護等級較高的產品，變頻器安裝也應穩固。制動組件包括制動電阻器及斬波器，將電機產生的再生電能消耗。橋式起重機主、副鉤經常頻繁制動，要求制動力矩大而且制動時的持續時間較長，所以應該選用制動電阻的功率加大一倍，斬波器也加大一個等級。綜合上述幾點，32/5T橋式起重物主副鉤變頻器及制動組件選用如表1所示。（ABB公司產品）

四、結束語

變頻調速在位能負載中應用不但可以滿足使用要求，而且可以創造良好的經濟效益。傳統的橋式起重機控制系統是用繼電器控制，系統為了實現多種聯鎖與安全保護功能，繼電器邏輯較為復雜，繼電器與接觸器頻繁切換動作，故障率較高且維修成本高，為了實現調速的目的而將電能消耗在電阻上，又浪費了能源。傳統的橋式起重機分級切換檔位時，容易造成機械沖擊，造成機械磨損。而采用變頻調速時可以完全解決這些問題。變頻器調速控制簡單易維護，而且變頻器具有軟啟動、軟停車、節能的特點，若是條件允許，將升、降、速度給定、保護等統一納入到PLC中集中控制變頻器，則可取得更加良好的效果。

參考文獻：

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[2]滿永奎.通用變頻器及其應用[M].機械工業出版社，1994.