变频调速技术在桥式起重机的应用———FrequencyConversionVeloc

[摘要]本文介绍了QQ100 /32 –39新型桥式起重机的概况，以及变频调速基本原理及变频器相关内容；分析了其控制系统的主要特点，总结了其在实践应用中的效果。
  [关键词]  桥式起重机    变频调速   应用
  
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  Abstract：This article introduced QQ100 / 32 -39 an overview of the new bridge crane, as well as the basic principles and VVVF inverter relevant content; analysis of control systems of its main features, summarized their application in practice in effect .
   Keywords: bridge crane  Frequency conversion velocity modulation    application
  引言
  交流变频调速技术的出现和日益完善及在工业界推广应用，为交流异步电动机驱动的桥式起重机提供了性能优良的调速手段。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，并且变频调速系统效率比传统的交流调速系统要高，节能效果明显，应用于结构简单且便于维护的鼠笼式异步电动机，外部控制线路简单，保护监测功能完善，运行可靠，维护工作量小，较传统交流调速的桥式起重机有了明显的提高。         
  
  一、QQ100/32-39新型桥式起重机概况
  1．概述
  该设备采用先进PLC程序控制，主副起升机构、大小车运行机构均采用变频调速，实现了起动或制动过程中，安全平滑调速，调速范围宽，整机性能优良，便于调试检修。该设备于2004年移交山西省神头二电厂使用管理，在汽轮机发电机组检修吊装作业中起着重要作用。
  2．系统硬件组成
  QQ100/32-39桥式起重机的电气传动系统有大车电动机YPE160M型7.5KW 2台，为分别驱动方式，小车电动机主钩YPE160M1-4型7.5KW 1台，为集中驱动方式，主钩电动机YZP225M-6型37KW 1台，副钩电动机YZP200L2-6型30KW1台，四台西门子6SE70系列变频器控制五台电动机，实现同步运行。每台变频器配置了制动单元和制动电阻，系统配置了四台OMRON  CPM/A系列PLC机控制，通过主付司机室的联动台进行操作。
   
  
   （2）主起升机构输入输出配置
  开关量输入信号：主令开关操作指令、限位、超载、变频器故障及各开关辅助触头信号；开关量输出信号：运行/停止、升、降、加速、制动器、接触器动作等信号。
    二、变频调速原理及应用
   2．变压变频调速（VVVF）基本原理
  在进行对异步电动机调速时，通常要考虑保持电动机中每极磁通量为额定值，并保持不变。
  如果磁通太弱，即电动机出现欠励磁，将会影响电动机的输出转矩，由公式TM＝KTFM I 2 COS j 2 (式中 TM ：电磁转矩，?F M：主磁通，I 2 ：转子电流，COS j 2：转子回路功率因素，KT ：比例系数)，可知，电动机磁通的减小，势必造成电动机电磁转矩的减小。
  由于电动机设计时，电动机的磁通常处于接近饱和值，如果进一步增大磁通，将使电动机铁芯出现饱和，从而导致电动机中流过很大的励磁电流，增加电动机的铜损耗和铁损耗，严重时会因绕组过热而损坏电动机。
  因此，在改变电动机频率时，应对电动机的电压进行协调控制，以维持电动机磁通的恒定。用于交流电气传动中的变频器实际上是变压（Variable Voltage，简称VV）变频（Variable Frequency，简称VF）器，即VVVF。所以，通常也把这种变频器叫作VVVF装置，这是通用变频器工作的基本原理。
  根据异步电动机的控制方式不同，变压变频调速可分为恒定压频比（U/F）控制变频调速、矢量控制（FOC）方式变频调速、 转差频率控制变频调速。
  3．变频器的选用
  整机系统选用了德国西门子6SE70系列高性能变频器。
  （1）起重机吊钩属于位能性恒转矩负载，选用转矩响应速度快无速度反馈的失量控制型，主钩为 6SE7031-2EF60型，副钩为6SE7031-0EE60型变频器。
  （2）大小车机构属于非位能性负载。大车机构是双电动机驱动，属于群拖方式，即一台变频器带动两台电动机，以实现简单的同步运行，采用U/F控制模式6SE7023-8TD61型变频器。
  （3）小车机构通常由单台电动机驱动，采用无速度传感器的矢量控制模式6SE7022-6TC61型变频器。
    5．变频器故障保护和诊断功能
  （1）变频器具备对电动机和变频器本身完善保护功能。如变频器交流输入侧的过压、欠压、缺相保护，变频器直流母线的过压、欠压、接地和变频器输出侧对电动机的过流、短路及过载等保护。
  （2）当变频器发生故障时，通常会显示故障诊断数据。用户可根据变频器使用说明书中具体说明，重点进行检查，排除外部回路故障或内部故障元件，极大方便了用户维修。一般情况故障按下故障复位键便可恢复正常。
  （3）当偶尔出现的变频器故障保护动作，无故障诊断显示数据而无法查明原因，复位后又不再出现同样故障，完全能够继续正常运行。这多数是由外部电源、机械、操作失误等偶然因素造成的。
  三、控制系统的主要特点
  1．吊钩起动时，由主令开关发出起动指令时，PLC立即输出变频器运行指令，变频器获得零速指令，输出一个零频率电流建立电动机磁场，但不产生电磁转矩。
  2．当 PLC得到松闸允许信号后输出制动器开启指令，在制动器闸瓦松开瞬间，变频器检测到下溜的速度与变频器所得零速信号产生的差速信号后，会迅速产生一个对应的电磁转矩将其稳住，延时后再获得PLC发出的实际转速频率指令，频率迅速升高后开始起动。
  3．吊钩主令开关归零位时，PLC输出零速指令，但不撤消对变频器的运行指令，变频器输出频率下降，实际转速跟踪理想曲线 ，待变频器通过速度反馈检测出零速信号后传送给PLC，PLC即输出制动器闭合指令，经延时待电动机转速为零时，制动器制动后才撤消运行指令，确保机械制动可靠动作后才撤消电磁转矩。
  4．主副司机室各有两个联动台，主令开关挡速为4-0-4，实现多挡速度控制。主钩和大车，副钩和小车合用一手柄操作，全方位操作柄，可同时操作，都具有快、慢、起、停等功能。
  5．由操作主令控制器向PLC发出起、停、加速、升、降等指令，相应PLC输出指令控制变频器正反转和多段速度运行，以达最佳控制状态。
  6．PLC根据控制开关量输入信号，如操作指令、开关、继电器及接触器辅助触头信号、变频器的运行/停止、故障信号等，程序处理后输出给开关量如制动器、风机接触器、变频器继电器等，完成对起重机在各种工况下的协调控制。
  7．控制系统对反车操作不响应，也没有零位机械制动瞬时动作，各运行机构通过直接将主令开关操作柄置零位实现最快的减速停车操作， 电动机将以设置的加速度作减速运行。
  8．实现全范围的电气制动，机械制动不作为减速停车操作，只有当电动机转速基本达到零速时仅作为驻车制动发挥作用。
  9．变频器制动转矩时，通过变频器连接制动单元和制动电阻，将桥式起重机在下降减速、制动过程中产生的能量通过能耗制动释放在制动电阻上。有效避免了电动机从负载接受机械能变为电能反送至变频器使直流回路电容被过充电而引起的过压保护动作。
  四、实践应用效果
  1．变频调速，实现平滑调速，效率极高，吊钩、大小车起动、制动、加速等更平稳快速。能以极低稳速运行，降低吊物落地时的冲击能量及平移摆度，提高定位精度，满足了电厂发电动机组检修中大型精密吊装作业的要求。
  2．系统由主令控制器手柄来控制变频器输出，调整电动机转速，操作方便，调速范围宽，可从电动机的额定转速调至同步转速1/10以上，能够提供稳定的极低转速，可任意设置运行速度。
  3．实现变频器在近于零速时满转矩输出起动，通过PLC控制实现电动机与机械制动逻辑配合关系，提高了系统应用稳定性和可靠性。
  4．起动瞬间加速度接近于平均加速度0.5m/，过载相对比例约为125%，可以抑制有害机械冲击，实现了软起、软停，对减速机、电动机运行冲击很小，控制回路简单，故障率低，易于维护，大大减少维护费用。
  5．系统很好解决电动机的起动，停止时的冲击电流，并对电动机有完善的短路、过载等保护功能，极大的提高了起重机的可靠性和安全性，延长了其使用寿命。
  6．PLC有能扩展的和专用通信接口，今后可根据实际需要通过通信功能指令和上位机程序实现无线遥控，现场数据总线通讯等功能。
  五、结束语
  经过几年的实践运行证明，QQ100/32-39新型PLC控制的变频调速桥式起重机具有较完善的调速性能及机械特性。其良好的起、制动性能，实现了起重机吊钩快速、准确定位，从而大大提高了作业效率。该设备故障率低，而且变频器及PLC机具有较完善的故障诊断显示功能，便于检修维护，在精密吊装和高速频繁的起重作业领域具有广泛应用价值。
  [参考文献]
  [1] 王树  主编  变频调速系统设计与应用 北京 机械工业出版社出版      2006年    219-238
  [2] 宋峰青 主编  变频技术  北京   中国劳动社会保障出版社出版      2004年     42-46
   
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