第三章 抓斗起重机控制系统中的变频器

第三章 抓斗起重机控制系统中的变频器夸一变频器的工作原理实际的生产过程离不开电力传动，生产机械通过电动机的拖动来进行预定的生产方式。世纪年代前，电动机运行的基本方式是转速不变的定速拖动。对于控制精度要求不高以及无调速要求的许多场合，定速拖动基本能够满足生产需求。随着工业化进程的发展，对传动方式提出了可调速拖动的更高要求。用直流电动机可方便地进行调速，但直流电机体积大，造价高，并且无节能效果，因而其应用受到限制。交流电动机体积小，价格低廉，运行性能优良，重量轻，因此对交流电动机的调速的研究具有重大的实用性。使用调速技术后，生产机械的控制精度可大为提高，并能够较大幅度地提高劳动生产率和产品质量，且能对诸多生产过程实施自动控制。因而对交流电动机进行调速控制不仅能使电力拖动系统具有非常优秀的控制性能，而且在许多生产场合中，还具有非常显著的节能效果。鉴于此，交流变频调速技术获得了迅速发展和广泛应用。异步电机的转速公式非常简单，即式中n一转速;f一电源频率;一磁极对数;s一转差率。因此，异步电机的调速方法只可能有以下几种，、改变供电电源的频率，称为变频调速、改变电机的极性，称为变极调速、改变转差率。起重机上用的较多的是在转子电路中串入电阻，通过改变转差率来实现转子绕线式异步电机的调速，这种调速方法虽然应用得较为普遍，但一次回路和控制回路较复杂，缺点明显。近年来，随着电力电子器件、微电子器件和计算机技术的发展及矢量控制理论的应用，变频调速逐步进入实际应用领域。所以，变频调速是大势所趋。变频调速控制方式基本上有以下三种：1、电源频率低于工频范围调节电源的工频频率在我国即，电机定子绕组内的感应电动势公式为式中一电机定子绕组内的感应电动势;一电机频率;W一电机定子绕组匝数的常数;一绕组系数;中一电机每极磁通。定子电压与定子绕组感应电动势的关系为:式中一定子绕组每相阻抗;一定子绕组相电流。若忽略定子压降，把该式整理成互一变频器的构成变频器的总体上由主回路、控制回路、保护回路构成。见图3.1所示。主回路的作用是直接给异步电动机提供调频调压电源控制回路的作用是根据预先设定或由闭环反馈信号输出量向输入端馈送运行信号作为比较或控制信号来控制主回路，使主回路按一定的规律调节电压与频率并输出保护回路则为变频器的各个部分提供完善的保护，如过流、过载、过电压等故障的保护，使变频器的工作具有高可靠性。主回路的类型较多，以电压型变频器为例，主回路由变流器部、平滑回路部、逆变器部构成，参看图3.2。1、变流器部将工频交流功率通过大功率二极管三相桥整流变成直流功率的部分，即为变流器部。变流器部的主要工作元件除了可以使用大功率二极管外，还可用晶闸管构成可控变流器部。2、平滑回路部全波整流后的直流电压、电流脉动幅度很大，使用平波电抗器可很好地控制电流脉动，使用大容值的电容器又能较好地抑制电压波动。3、逆变器部将直流电压再变为交流电压，构成了逆变器部。不过这里的逆变包含着丰富的内容根据一定的规律并始终对运行信息进行监测和比较来确定控制关系，将平滑回路部的直流电压、电流逆变成电压、频率均按要求变化的交流电压与电流。控制回路由下列回路构成对频率、电压协调控制的运算回路主回路的电压电流检测回路电动机的速度检测回路驱动回路逆变器和电动机的保护回路。控制回路没有接收异步电动机转速检测信号而根据设定运行参数工作时，为开环状态若将电机运行的速度信号也作为控制信号，则控制回路工作于闭环状态。闭环控制可进行精确控制，如精确的速度控制等。1、运算回路将检测回路中的电流、电压信号同反馈的速度信号、转矩信号进行比较并运算，决定逆变器的输出电压和频率。2、电压电流检测回路检测出主回路的一些主要电压、电流量，这种检测通过一定种类的传感器来实现，如霍尔元件等。3、驱动回路将运算回路给出的控制信号放大，控制主回路主开关元件按规律导通与判断。4、速度检测回路速度检测器测出的转速信号，送入运算回路，经比较及运算后，再由运算回路给出转速指令。5、保护回路对主电路进行安全监测，进行过压、过流、过载的保护，保证逆变器和异步电动机安全运行。3-3一抓斗起重机异步电机电压、频率协调控制方式的选择生产机械的负载特性是指负载与转速之间的关系，即，人们在实践中将生产机械的负载特性分成种类型恒转矩负载恒功率负载平方转矩负载。抓斗起重机大小车运行机构，主要表现为摩擦类负载，而起升开闭机构则主要表现为位能性负载，这些皆为恒转矩负载，通常采用恒转矩控制方式，了否州。摩擦类负载静阻转矩的作用方向总是与旋转方向相反，旋转方向改变后，负载转矩的方向也随之改变。但位能性负载是由重力引起的，其方向不因转速的方向改变，如图3.3所示。在了解了抓斗起重机异步电动机的负载特性之后，接下来我们分析异步电机电压、频率协调控制下的机械特性，然后选择抓斗起重机异步电机电压、频率协调控制方式。图3.4为异步电动机的稳态等效电路，图中各感应电动势符号的意义如下:一一气隙或互感磁通在定子每组绕组中的感应电动势一一定子全磁通的感应电动势一一转子全磁通的感应电动势(折合到定子边).恒转矩控制可以采用以下三种控制方式:机起升开闭机构电机可以采用这种控制变频调速方法。3-4一起升机构的变频调速过程3-4-1一起升机构的转矩分析在起升机构中，主要有三种传矩1、电动机的转矩。即由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。2、重力转矩几。由重物及抓斗等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及抓斗等的重量与卷筒半径的乘积，即3、摩擦转矩。由于减速机构的传动比较大，最大可达，因此，减速机构的摩擦转矩包括其他损失转矩不可小视。摩擦转矩的特点是，其方向永远与运行方向相反。3-4-2一一起升过程中电动机的工作状态1、重物上升重物的上升，完全是电动机向下转矩作用的结果。这时，电动机的旋转方向与转矩方向相同，处于电动机状态，其机械特性在第1象限，如图3-8中的曲线所示，工作点为A点，转速为。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已切换至曲线了，工作点由A点跳变至A点，进入第二象限，电动机处于再生制动状态发电机状态，其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降，并重又进入第一象限，至B点时，又处于稳定运行状态，B点便是频率降低后的新工作点，这时，转速已降为。2、重物下降重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转下降的，其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向的，其机械特性如图3.9的曲线所示，工作点为E点，转速为。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速、达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故相同的重物在一降时构成的负载转矩比上升时的小。3-4-3一一与原拖动系统的比较这里的原拖动系统专指绕线转子异步电动机拖动系统。1、重物上升此时电动机的机械特性也处于第一象限，如图3.10的曲线所示，转速为。降速是通过转子电路串入电阻来实现的。串入电阻后，机械特性变为曲线，工作点由A点跳变至A点，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时，电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速降为。、重物下降重物下降时，电动机从接法上来说，是正方向的，产生的转矩也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如图一中的曲线所示。这时，电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，如图中的点所示，这时，转速为。这种工作状态的特点是电动机的转矩是正的、却被重物“倒拉”着反转了，电动机处于倒拉式反接制动状态。原拖动系统与变频调速方式相比较，在重物下降时，两种调速方法的工作点尽管都在第四象限，但电动机的状态是不同的。原拖动系统电动机处于倒拉或反接制动状态，而变频调速系统电动机处于再生制动状态。3-5一抓斗起重机变频调速控制需要注意的几个方面抓斗起重机采用变频调速控制时需要解决好以下几个方面的问题:1、启动方式抓斗刚上升时，必须首先消除变速箱的传动间隙，将钢丝绳拉紧。因此应采用S形启动方式。2、重力位能的处理重载下降时，电动机处于再生制动状态，对于再生的电能，必须能够妥善处理。对于电动机功率小的可以选用变频器的内置制动单元，外部仅连接制动电阻，电动机功率大的，变频器需外接制动单元及制动电阻。3、制动方法起升机构中，由于重物具有重力，如没有专门的制动装置，重物在空中是难以长时间停住的。为此，电动机轴上必须加装机械制动装置，常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。为了保证制动器的工作安全可靠，多数制动装置都采用常闭式的，即线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住，线圈通电时松开。使用变频器后，可以采取再生制动和电磁机械制动相结合的方法。4、溜钩问题的解决在重物开始升降或停住时，要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合。由于制动器从抱紧至松开，以及从松开至抱紧的动作过程需要时间约，因电动机的容量而异，而电动机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机己经通电，而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。溜钩现象非但降低了重物在空中定位的准确性，有时还会产生严重的安全问题。因此，必须可靠地解决好。原拖动系统防止溜钩的方法是当重物从空中的停止状态转为上升或下降。如果使制动器先通电，等抱闸松开后再接通电动机，则在抱闸逐渐松开，而电动机尚未通电的过程中，重物必将下滑，形成溜钩。为了防止这种现象的发生，只能使电动机和制动器同时通电。其缺点是当抱闸尚未完全松开的过程中，电动机将处于过载状态。当重物上升或下降到半空中转为停止状态。如果使电动机和制动器同时断电，则因为抱闸从断电到完全抱紧，约需0.6S的时间，在抱闸尚未完全抱紧的过程中，重物必将下滑，形成溜钩。为此，令制动器在电动机断电之前，提前0.6S断电，待电动机断电时，抱闸己经抱紧了。这个方法的缺点是在制动器逐渐抱紧的过程中，电动机也将处于过载状态。而在变频器调速系统中，防止溜钩的措施在抓斗由静至动以及由动至静的情况是不同的。系统有一个“零速”信号，“零速”值可以设定为一个合适的最小频率。在抓斗由停止到运行升降的工作过程中，变频器的工作频率逐渐增大。当变频器的工作频率上升至。时，电动机己产生一定的转矩，变频器内的输出继电器常开接点闭合，控制制动器抱闸打开，防止起升重载时，电机上升转矩太小，出现重物下滑的溜钩现象。在抓斗从运行升降至停住的工作过程中，当变频器输出频率降至最小频率。时，变频器内的输出继电器常开接点断开，制动器失电抱闸，实现零速即低速制动，使起重机实现快速平稳停车，同时减少制动器的刹车皮和制动轮的机械磨损。，控制信号的波形图见3.11.制动器通电信号和动作信号时间差就是制动器的动作时间，实际应用中可以调整值，使电动机输出转矩和制动器相配合抱闸打开。3-6一起重机变频调速系统中元器件的选用3-6-1一一电动机采用变频器对鼠笼式异步电动供电时，定子电流中不可避免地含有高次谐波，电动机的功率因数和效率都会变差。从损耗的角度看，电动机损耗主要是定、转子铜损、铁损和机械损耗。高次谐波损耗基本与负载大小无关。空载情况下，谐波损耗所占比例相对较大，其影响也相对较大。空载运行时电动机的功率因数和效率将会低一些。高次谐波损耗主要包括铜损和铁损两部分，其中铁损是磁通密度和频率的函数，由于PWM变频器中含有载波频率，与谐波有关的铁损比较大。这些是使电动机温升增加的因素。通用的标准鼠笼式异步电动机的散热能力，是按额定转速下且冷却风扇是装在电动机轴上的即自扇式冷却风量考虑的。当调速运行时，速度降低的情况下冷却风量将变小，散热能力变差。对低速运行时间较长，且调整比较大的场合，必须增加强迫冷却风机对电机予以冷却，否则电动机容量必须有一定的余量。电动机的容量可以按照下面的公式来计算。对于起重机的开闭起升机构，载荷作垂直移动的设备，它的转动惯量较小，其所需功率3-6-2一一变频器由于起重机各机构负载大多为恒转矩负载，故以选用带低速转矩提升功能的电压型变频器通用变频器为好，这类变频器都可以通过软件来选择其控制方式，通常有种方式可选开环控制方