變頻調(diào)速給起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)的影響

武漢理工大學(xué)胡吉全2010年4月變頻調(diào)速給起重機(jī)設(shè)計(jì)

和使用帶來(lái)的影響

主要內(nèi)容：起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題

任何起重機(jī)的工作機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中都會(huì)有起動(dòng)、穩(wěn)定運(yùn)行和制動(dòng)減速等運(yùn)行狀態(tài)。這些狀態(tài)的改變會(huì)給起重機(jī)的工作帶來(lái)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(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變是通過(guò)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用者對(duì)調(diào)速問(wèn)題一直高度關(guān)注。從某種程度講，起重機(jī)的發(fā)展史也是調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展史，其工作性能的好壞與調(diào)速控制技術(shù)息息相關(guān)。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題1.起重機(jī)調(diào)速狀態(tài)的現(xiàn)實(shí)

起重機(jī)調(diào)速狀態(tài)的現(xiàn)實(shí)主要有兩種方法：

1)一種是通過(guò)改變機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)比來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)速度的改變，如采用齒輪變速箱；

2)另一種就是通過(guò)改變機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)速度的改變，這也是現(xiàn)代起重機(jī)中最常用的電機(jī)調(diào)速方法。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題2.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法現(xiàn)代機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主要有直流傳動(dòng)系統(tǒng)和交流傳動(dòng)系統(tǒng)。直流傳動(dòng)系統(tǒng)以直流電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，交流傳動(dòng)系統(tǒng)則以交流電機(jī)為動(dòng)力。直流電機(jī)雖不如交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，價(jià)格便宜，但直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，可在很寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速。其良好的機(jī)械特性、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力，特別適用于起重機(jī)械的工作作業(yè)，目前在一些要求特殊的起重機(jī)上還仍然使用直流驅(qū)動(dòng)，如電動(dòng)輪胎起重機(jī)等。同時(shí)對(duì)于一些控制精度要求較高的的場(chǎng)合也廣泛使用直流驅(qū)動(dòng)。但對(duì)于大功率的機(jī)電傳動(dòng)場(chǎng)合，由于直流電獲得比較麻煩，目前更多的采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題2.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法交流電機(jī)的調(diào)速方式有很多，從異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式：

看出，可以改變下列三個(gè)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1） 改變定子繞組的極對(duì)數(shù)p，稱(chēng)為變極調(diào)速；（2） 改變供電電源的頻率f，稱(chēng)為變頻調(diào)速；（3） 改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率s，稱(chēng)為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題2.電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

過(guò)去在起重機(jī)中使用最多的是變轉(zhuǎn)差率調(diào)速，如轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、定子調(diào)壓調(diào)速、滑差電機(jī)調(diào)速、串級(jí)調(diào)速等。這些調(diào)速方式的共同特點(diǎn)是：調(diào)速過(guò)程中平均產(chǎn)生的轉(zhuǎn)差率（除串級(jí)調(diào)速外），都消耗在轉(zhuǎn)子電路中，使轉(zhuǎn)子發(fā)熱，這些調(diào)速方式的經(jīng)濟(jì)性比較差。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題3.變頻電機(jī)的調(diào)速原理變頻調(diào)速時(shí)，希望電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力：保持不變，

----稱(chēng)為力矩倍數(shù)。

----電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩（）

----電機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩（）由最大轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式可推得當(dāng)電機(jī)的在變頻前后保持不變時(shí)，則電壓、頻率和額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)保持下列關(guān)系：從上式可知對(duì)應(yīng)于下面三種轉(zhuǎn)矩變化情況電壓如何隨頻率的改變而調(diào)節(jié)。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題3.變頻電機(jī)的調(diào)速原理（1）調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)矩不變（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）希望==常數(shù)，此時(shí)要求也即=常數(shù)，即電機(jī)上的電壓必須隨頻率成正比改變。（2）調(diào)速時(shí)輸出功率不變（恒功率調(diào)速）希望,以便=常數(shù)。于是可得，即加到電機(jī)上的電壓必須隨頻率的開(kāi)平方成正比改變。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題3.變頻電機(jī)的調(diào)速原理（3）調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的平方成正比變化希望，于是可得，即加到電動(dòng)機(jī)上的電壓必須隨頻率的平方成正比。

當(dāng)調(diào)速時(shí)，如果電壓不變，則調(diào)速前后的功率與頻率成反比。一.起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的調(diào)速問(wèn)題4.變頻電機(jī)的性能指標(biāo)及特性與以上調(diào)速狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，變頻電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)為：變頻電機(jī)的頻率、轉(zhuǎn)矩、電壓、功率，有如下關(guān)系曲線：額定電壓：380V額定頻率：50hz變頻范圍：50~100hz最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：大于3低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)：大于1.5效率和功率因數(shù)達(dá)到非變頻電機(jī)水平。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響，特別是閉環(huán)矢量控制變頻器的成功開(kāi)發(fā)，有效解決了位能性負(fù)載的變頻調(diào)速問(wèn)題，盡管變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)產(chǎn)品中已使用多年，但仍然有很多需要進(jìn)一步解的問(wèn)題。不斷總結(jié)工作實(shí)際，積累更多的使用經(jīng)驗(yàn)，為變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)及工業(yè)控制中更好地運(yùn)用是必要的。以下是根據(jù)變頻調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)中多年的使用，總結(jié)其對(duì)起重機(jī)的設(shè)計(jì)和使用的部分影響。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響1.可以實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊載在恒功率和恒轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)工作起重機(jī)工作時(shí)，最希望能做到重載時(shí)低速運(yùn)行，輕載時(shí)高速運(yùn)行，同時(shí)載重狀態(tài)下工作機(jī)構(gòu)均希望有較大的驅(qū)動(dòng)力矩，輕載時(shí)可以采用小的驅(qū)動(dòng)力矩。變頻電機(jī)的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩工作特性正好與起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)的要求相一致，非常理想地解決了負(fù)載、變速和轉(zhuǎn)矩、功率之間的關(guān)系問(wèn)題。如起升機(jī)構(gòu)在取消機(jī)械變速箱的情況下，很方便的實(shí)現(xiàn)了在不同工作速度時(shí)起吊不同質(zhì)量，甚至在恒功率調(diào)速狀實(shí)現(xiàn)起吊載荷的無(wú)級(jí)變化，有效地?cái)U(kuò)大了起重機(jī)的工作范圍，大大提高了工作效率。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響2.可提高起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)富余承載功能的利用起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)采用變頻調(diào)速后，使挖掘和利用起重機(jī)及金屬結(jié)構(gòu)的富余承載能力成為可能。過(guò)去港口常用的裝卸起重機(jī)額定起重量均為定值，與工作幅度無(wú)關(guān)。如港口門(mén)座起重機(jī)MQ1633，一般指全幅度范圍內(nèi)均起吊16t。實(shí)際上起重機(jī)的起重量與工作幅度緊密相關(guān)，工作幅度對(duì)起重機(jī)的穩(wěn)定性、輪壓、金屬結(jié)構(gòu)的受力影響很大。在額定載荷情況下，起重機(jī)及金屬結(jié)構(gòu)在小幅度時(shí)具有很大的富余承載能力。例如我們對(duì)MQ1633四連桿門(mén)機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)富余承載能力進(jìn)行過(guò)研究,確定起重機(jī)的金屬材料全部使用Q235，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體有限元建模分析計(jì)算，在每一個(gè)工作幅度將載荷增加到使某一個(gè)構(gòu)件的最大應(yīng)力達(dá)到許用應(yīng)力，其計(jì)算結(jié)果如下表：二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響門(mén)機(jī)變幅過(guò)程承載能力數(shù)據(jù)表門(mén)機(jī)型號(hào)MQ1633變幅次數(shù)幅度最大載荷133m16t231.6m19t330.1m23t428.5m26t526.9m29t625.2m30t723.4m31t821.5m32t919.6m32t1017.4m31t1115.1m29t1212.4m28t139.5m30t起重機(jī)承載能力曲線起重機(jī)富余承載能力利用曲線以上計(jì)算結(jié)果還必須滿(mǎn)足穩(wěn)定性和輪壓允許條件。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響3.可實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載零速狀態(tài)下制動(dòng)起重機(jī)的運(yùn)行制動(dòng)既是起重機(jī)運(yùn)行減速停車(chē)的重要過(guò)程，同時(shí)也是起重機(jī)安全工作的重要環(huán)節(jié)。在常規(guī)控制狀況下是通過(guò)制動(dòng)器消耗起重機(jī)運(yùn)行的部分能量實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)的減速停車(chē)，故經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)制動(dòng)器的頻繁磨損，制動(dòng)能力下降，特別是起升、變幅等具有位能性負(fù)載的工作機(jī)構(gòu)，制動(dòng)器的損壞更加突出，由此帶來(lái)安全隱患。按制動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)力矩的計(jì)算公式為：

Mz=Mzs+Mzd=Mzs+Mzd1+Mzd2

Mzs—制動(dòng)器需克服的靜力矩.

Mzd—制動(dòng)器需要克服的慣性力矩，包括移動(dòng)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(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響3.可實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載零速狀態(tài)下制動(dòng)通過(guò)給定制動(dòng)時(shí)間計(jì)算制動(dòng)器所需的制動(dòng)力矩，取一安全系數(shù)后可按此選制動(dòng)器。采用變頻驅(qū)動(dòng)，特別是閉環(huán)矢量變頻制動(dòng)控制系統(tǒng)的成功運(yùn)用，按變頻電機(jī)的調(diào)速性能，可在電機(jī)頻率為0Hz時(shí)保持額定力矩的輸出，從而實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，此時(shí)起重機(jī)減速時(shí)的動(dòng)能是通過(guò)變頻器的電制動(dòng)消耗在制動(dòng)電阻上，機(jī)械制動(dòng)器僅僅只需克服靜力矩，已沒(méi)有制動(dòng)過(guò)程，其功能轉(zhuǎn)變成停車(chē)狀態(tài)下的安全保護(hù)制動(dòng)。此時(shí)制動(dòng)器的工作環(huán)境大大改善，壽命大大延長(zhǎng)，安全性也大大提高。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響4.實(shí)現(xiàn)了抓斗工作開(kāi)閉繩載荷的重新分配起重機(jī)抓斗工作時(shí)，起升繩和開(kāi)閉繩在工作工程中并不是均勻分配。抓斗在進(jìn)行物料挖掘和閉合提升時(shí)，開(kāi)閉繩承受的載荷比起升繩大很多，在沒(méi)有采用交流變頻驅(qū)動(dòng)之前，規(guī)范要求閉合機(jī)構(gòu)和支撐機(jī)構(gòu)電機(jī)功率應(yīng)取為總計(jì)算功率的66%，當(dāng)采用交流變頻調(diào)速或直流調(diào)速時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)控并保證抓斗閉合終止時(shí)支撐繩與閉合繩載荷準(zhǔn)確相等，各機(jī)構(gòu)電機(jī)功率可取總計(jì)算功率的55%，這樣大大地降低了驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響5.帶來(lái)起升動(dòng)載系數(shù)計(jì)算的改變起重機(jī)的起升動(dòng)載系數(shù)是一個(gè)最重要的系數(shù)，起重機(jī)實(shí)際工作時(shí)影響該系數(shù)的因素很多，其中最主要的是起重機(jī)的調(diào)速狀態(tài)和操作狀態(tài)。按起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范給出的計(jì)算公式：與起重機(jī)狀態(tài)級(jí)別相對(duì)應(yīng)的起升載荷系數(shù)的最小值；按起升狀態(tài)級(jí)別設(shè)定的參數(shù)；Vq穩(wěn)定起升速度（與起升驅(qū)動(dòng)控制和操作方案有關(guān)）。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響5.帶來(lái)起升動(dòng)載系數(shù)計(jì)算的改變?nèi)缱ザ菲鹬貦C(jī)的起升速度為60/min，按老規(guī)范計(jì)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(jì)算公式：

=1.2+0.68×0.5Vqmax，=1.54

二者的差異很大。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響6.帶來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和過(guò)載能力計(jì)算的改變?nèi)绻捎米冾l調(diào)速，電機(jī)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(dāng)頻率降到50Hz以下時(shí)，電機(jī)工作在恒定轉(zhuǎn)矩狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)功率的損失與頻率的減少成正比。國(guó)產(chǎn)電機(jī)正常工作時(shí)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(jī)在50Hz以上頻率段運(yùn)行時(shí)，電機(jī)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(guó)產(chǎn)電機(jī)的最高穩(wěn)定運(yùn)行工作頻率一般不應(yīng)該超過(guò)80Hz。調(diào)頻狀態(tài)下的電機(jī)最高轉(zhuǎn)速要考慮減速機(jī)高速軸的許用輸入轉(zhuǎn)速和制動(dòng)輪、聯(lián)軸器的慣性等的影響。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響6.帶來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率和過(guò)載能力計(jì)算的改變電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力與過(guò)載能力系數(shù)和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩倍數(shù)有關(guān)，能力系數(shù)H越小，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)T越大，則電機(jī)的過(guò)載能力越強(qiáng)。直流電機(jī)的過(guò)載能力最強(qiáng)，其次是變頻電機(jī)、繞線轉(zhuǎn)子異步和籠型異步電機(jī)。二.變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)設(shè)計(jì)和使用的影響7.帶來(lái)起重機(jī)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)行沖擊狀態(tài)的良好改善起重機(jī)是一種頻繁起、制動(dòng)和變速運(yùn)行的機(jī)械、沖擊和加、減速的慣性載荷對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和金屬結(jié)構(gòu)的影響很大，這也是起重機(jī)動(dòng)力學(xué)研究被高度重視的原因。起重機(jī)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題實(shí)際上是一個(gè)調(diào)速問(wèn)題，電動(dòng)機(jī)良好的調(diào)速性能會(huì)大大改善起重機(jī)運(yùn)行