變頻調(diào)速給起重機設計和使用帶來的影響課件

1、武 漢 理 工 大 學胡吉全變 頻 調(diào) 速 技術給 起 重 機節(jié)能 設 計和 使 用 帶 來 的 影 響 報告內(nèi)容：起重機運行過程中的調(diào)速問題變頻調(diào)速對起重機節(jié)能設計和使用的影響一.起重機運行過程中的調(diào)速問題 任何起重機的工作機構在運行過程中都會有起動、穩(wěn)定運行和制動減速等運行狀態(tài)。這些狀態(tài)的改變會給起重機的工作帶來多方面的影響，如：工作效率、慣性載荷、沖擊載荷、穩(wěn)定性狀態(tài)等。起重機運行狀態(tài)的改變是通過調(diào)速來實現(xiàn)的。從某種程度講，起重機的發(fā)展史也是調(diào)速控制技術的發(fā)展史。 一.起重機運行過程中的調(diào)速問題1. 起重機調(diào)速的現(xiàn)實 起重機調(diào)速的現(xiàn)實主要有兩種方法： 1) 一種是通過改變傳動系統(tǒng)中的傳動

2、比來實現(xiàn)工作 機構速度的改變，如采用齒輪變速箱調(diào)速； 2) 另一種就是通過改變傳動系統(tǒng)中電機的輸入轉(zhuǎn)速 來實現(xiàn)工作機構速度的改變，這也是現(xiàn)代起重機中最常用的電機調(diào)速方法。一.起重機運行過程中的調(diào)速問題 2.電動機的調(diào)速方法 起重機傳動系統(tǒng)主要有直流傳動和交流傳動。 直流傳動系統(tǒng)中的直流電機可在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速，有較大的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力，具有良好的調(diào)速特性和機械特性，特別適用于起重機械的工作作業(yè)，但由于直流電獲得比較麻煩，目前起重機更多的采用交流電機驅(qū)動。一.起重機運行過程中的調(diào)速問題2.電動機的調(diào)速方法 交流電機的調(diào)速方式有很多，從異步電機的轉(zhuǎn)速表達式： 看出，可以改變下列三個參數(shù)來調(diào)節(jié)電

3、機的轉(zhuǎn)速。 （1）改變定子繞組的極對數(shù) p，稱為變極調(diào)速； （2）改變供電電源的頻率 f，稱為變頻調(diào)速； （3）改變電機的轉(zhuǎn)差率s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。一.起重機運行過程中的調(diào)速問題3.變頻電機的調(diào)速原理 變頻調(diào)速時，希望電動機的過載能力 保持不變， -稱為力矩倍數(shù)。 -電機的額定轉(zhuǎn)矩 -電機的最大電磁轉(zhuǎn)矩 由最大轉(zhuǎn)矩的計算公式可推得當電機的 在變頻前后保持不變時，則電壓、頻率和額定轉(zhuǎn)矩應保持下列關系： 對應于上式轉(zhuǎn)矩變化，電壓隨頻率的改變而調(diào)節(jié)情況。一.起重機運行過程中的調(diào)速問題3.變頻電機的調(diào)速原理 （1）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 希望 = =常數(shù)，此時要求 ，也即 = 常數(shù)， 即電機上的電壓必須隨頻率成

4、正比改變。 （2）恒功率調(diào)速 希望 以便 =常數(shù)。于是可得 ，即加到電機上的電壓必須隨頻率的開平方成正比改變。一.起重機運行過程中的調(diào)速問題4.變頻電機的特性 與以上調(diào)速狀態(tài)相對應，變頻電機的頻率、轉(zhuǎn)矩、電壓、功率，有如下關系曲線 ：二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響 變頻調(diào)速技術的運用對起重機的控制帶來了極大的改變，特別是閉環(huán)矢量控制變頻器的成功開發(fā)，有效地解決了位能性負載的變頻調(diào)速問題。從控制角度講變頻調(diào)速無疑具有劃時代的意義。然而從機械角度講該技術對起重機的設計和使用的影響也是巨大的。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響1.可以實現(xiàn)起重機在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)工作 起重機工作時，最希望

5、能做到重載時低速運行，輕載時高速運行，同時載重狀態(tài)下工作機構均希望有較大的驅(qū)動力矩，輕載時可以采用小的驅(qū)動力矩。變頻電機的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩工作特性正好與起重機工作機構的要求相一致，非常理想地解決了負載、變速和轉(zhuǎn)矩、功率之間的關系問題。 如起升機構在取消機械變速箱的情況下，很方便的實現(xiàn)了在不同工作速度時起吊不同質(zhì)量，甚至在恒功率調(diào)速狀實現(xiàn)起吊載荷的無級變化，有效地擴大了起重機的工作范圍，大大提高了工作效率。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響2.可提高起重機金屬結(jié)構富余承載功能的利用 起重機起升機構采用變頻調(diào)速后，使挖掘和利用起重機及金屬結(jié)構的富余承載能力成為可能。過去港口常用的裝卸起重機額定起重

6、量均為定值，與工作幅度無關。如港口門座起重機，一般指全幅度范圍內(nèi)均起吊額定載荷。實際上起重機的起重量與工作幅度緊密相關，工作幅度對起重機的穩(wěn)定性、輪壓、金屬結(jié)構的受力影響很大。在額定載荷情況下，起重機及金屬結(jié)構在小幅度時具有很大的富余承載能力。例如我們對MQ1633四連桿門機的金屬結(jié)構富余承載能力進行過研究,確定起重機的金屬材料全部使用Q235，對結(jié)構進行整體有限元建模分析計算，在每一個工作幅度將載荷增加到使某一個構件的最大應力達到許用應力，其計算結(jié)果如下表：二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響門機變幅過程承載能力數(shù)據(jù)表門機型號MQ1633變幅次數(shù)幅度最大載荷133m16t231.6m19t3

7、30.1m23t428.5m26t526.9m29t625.2m30t723.4m31t821.5m32t919.6m32t1017.4m31t1115.1m29t1212.4m28t139.5m30t起重機承載能力曲線起重機富余承載能力利用曲線以上計算結(jié)果還必須滿足穩(wěn)定性和輪壓允許條件。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響3.可實現(xiàn)位能負載零速狀態(tài)下制動 起重機的運行制動既是起重機運行減速停車的重要過程，同時也是起重機安全工作的重要環(huán)節(jié)。在常規(guī)控制狀況下是通過制動器消耗起重機運行的部分能量實現(xiàn)工作機構的減速停車，故經(jīng)常會出現(xiàn)制動器的頻繁磨損，制動能力下降，特別是起升、變幅等具有位能性負載的工

8、作機構，制動器的損壞更加突出，由此帶來安全隱患。按制動器的設計要求，制動力矩的計算公式為： Mz=Mzs+Mzd=Mzs+Mzd1+Mzd2 Mzs 制動器需克服的靜力矩. Mzd 制動器需要克服的慣性力矩，包括移動質(zhì)量的慣性力矩和回轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響3.可實現(xiàn)位能負載零速狀態(tài)下制動 通過給定制動時間計算制動器所需的制動力矩，取一安全系數(shù)后可按此選制動器。采用變頻驅(qū)動，特別是閉環(huán)矢量變頻制動控制系統(tǒng)的成功運用，按變頻電機的調(diào)速性能，可在電機頻率為0Hz時保持額定力矩的輸出，從而實現(xiàn)零速制動，此時起重機減速時的動能是通過變頻器的電制動消耗在制動電阻上，機械制動

9、器僅僅只需克服靜力矩，已沒有制動過程，其功能轉(zhuǎn)變成停車狀態(tài)下的安全保護制動。此時制動器的工作環(huán)境大大改善，壽命大大延長，安全性也大大提高。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響4.實現(xiàn)了抓斗工作開閉繩載荷的重新分配 起重機抓斗工作時，起升繩和開閉繩在工作工程中并不是均勻分配。抓斗在進行物料挖掘和閉合提升時，開閉繩承受的載荷比起升繩大很多，在沒有采用交流變頻驅(qū)動之前，規(guī)范要求閉合機構和支撐機構電機功率應取為總計算功率的66%，當采用交流變頻調(diào)速或直流調(diào)速時，能實時監(jiān)控并保證抓斗閉合終止時支撐繩與閉合繩載荷準確相等，各機構電機功率可取總計算功率的55%，這樣大大地降低了驅(qū)動電機功率。二.變頻調(diào)速對起

10、重機設計和使用的影響5.帶來起升動載系數(shù)計算的改變 起重機的起升動載系數(shù) 是一個最重要的系數(shù)，起重機實際工作時影響該系數(shù)的因素很多，其中最主要的是起重機的調(diào)速狀態(tài)和操作狀態(tài)。按起重機設計規(guī)范給出的計算公式： 與起重機狀態(tài)級別相對應的起升載荷系數(shù)的最小值； 按起升狀態(tài)級別設定的參數(shù)；Vq 穩(wěn)定起升速度（與起升驅(qū)動控制和操作方案有關）。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響5.帶來起升動載系數(shù)計算的改變 如抓斗起重機的起升速度為60/min，按老規(guī)范計算公式 ： =1+0.7Vmax， =1.7 按新規(guī)范考慮控制方法和操作方法，如采用變頻調(diào)速，計算公式： =1.2+0.680.5Vqmax， =1.

11、54 二者的差異很大。 二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響6.帶來驅(qū)動電機功率和過載能力計算的改變 如果采用變頻調(diào)速，電機的輸出功率在恒定功率頻率段和恒定轉(zhuǎn)矩頻率段是不同的，當頻率降到50Hz以下時，電機工作在恒定轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，此時電機功率的損失與頻率的減少成正比。國產(chǎn)電機正常工作時的頻率一般在20Hz以上可以保證轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定，20Hz以下主要用于調(diào)速狀態(tài)。電機在50Hz以上頻率段運行時，電機工作在恒定功率狀態(tài)，盡管功率不變，但輸出扭矩是隨頻率的增大而減小的，要注意最小扭矩的校核。國產(chǎn)電機的最高穩(wěn)定運行工作頻率一般不應該超過80Hz。調(diào)頻狀態(tài)下的電機最高轉(zhuǎn)速要考慮減速機高速軸的許用輸入轉(zhuǎn)速和制動輪

12、、聯(lián)軸器的慣性等的影響。 二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響6.帶來驅(qū)動電機功率和過載能力計算的改變 電動機的過載能力與過載能力系數(shù)和電機的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)有關，能力系數(shù)H越小，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)T越大，則電機的過載能力越強。直流電機的過載能力最強，其次是變頻電機、繞線轉(zhuǎn)子異步和籠型異步電機。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響7.帶來起重機工作機構運行沖擊狀態(tài)的良好改善 起重機是一種頻繁起、制動和變速運行的機械、沖擊和加、減速的慣性載荷對機械傳動系統(tǒng)和金屬結(jié)構的影響很大，這也是起重機動力學研究被高度重視的原因。起重機的動力學問題實際上是一個調(diào)速問題，電動機良好的調(diào)速性能會大大改善起重機運行的振動和沖擊。變頻

13、調(diào)速是一種相對高精度的調(diào)速方式，帶來的效果就是使起重機的平穩(wěn)性大大改善，起重機傳動機構中大量采用齒輪傳動，除減速箱為齒輪閉式傳動外，還大量使用開式齒輪傳動，只要采用齒輪傳動就一定會有間隙，也就會有沖擊和振動。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響7.帶來起重機工作機構運行沖擊狀態(tài)的良好改善 過去港口門座起重機的齒條變幅機構就存在沖擊的問題，曾采取了很多措施，先是在齒條與臂架連接處安裝緩沖器，以后又改用渦流制動器調(diào)速，甚至還有改用螺桿變幅的，現(xiàn)在采用變頻調(diào)速，一切問題都解決了，通過閉環(huán)控制也解決了位能性負載問題?；剞D(zhuǎn)變頻也是有效解決回轉(zhuǎn)機構由于起、制動造成回轉(zhuǎn)減速箱斷軸的手段，包括具有開式傳動的運行機構的沖擊和振動。二.變頻調(diào)速對起重機設計和使用的影響8.帶來起重機金屬結(jié)構工作狀態(tài)的良好改善 起重機金屬