交流变频调速技术在1100t门式起重机中的应用

1 引言 随着工业生产对起重机调速性能要求的不断提高，常用传统的门式起重机调速方法如:绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等，它们共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，而且调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的特殊要求。 交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的门式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是门式起重机交流调速技术发展的主流。 2 1100t变频调速门式起重机运行的特点 2.1使用环境 1100t变频调速门式起重机适用于大吨位构件组焊、设备安装，港口码头、铁路货场、重工企业等的货场装卸作业，起升高度可达13m，最大起吊重量为1100t，它是我国目前起吊量最大的门式起重机。该产品采用“A”型门架，双主梁结构，刚性支腿，无悬臂，无马鞍，并采用双小车形式。 1100t变频调速门式起重机适用的场合均属露天环境，室外温度变化剧烈，有些场所存在多粉尘、有腐蚀气体等，使用环境恶劣。门式起重机运行中振动、冲击较大，供电电源方面普遍存在变压器容量小，供电电缆截面小、线路长;在大型设备启动时，常造成瞬时欠电压。 2.2 运行特征 (1) 门式起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩; (2) 由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序; (3) 当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向直流电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量; (4) 起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。 3 电动机的选用 笼型异步电动机由变频器供电时，会由于变频器高次谐波的影响和电机运行速度范围的扩大，出现一些工频电源供电时没有的新问题。 3.1 谐波的影响 笼型异步电动机采用PWM调制方式的通用变频器供电时，定子电流中含有丰富的高次谐波，它造成电动机的铁损和铜损增加，致使电动机的温度上升。统计资料表明，电动机在额定状态下，变频器供电的电动机比工频供电时，电流增加10%，而温升增加20%左右。选择电动机容量时，应留有裕量，防止电动机温升过高，影响其寿命。 3.2 散热能力的影响 标准笼型电动机调速运行时，额定转速以下随着转速的降低其散热能力变差。门式起重机的起升、平移机构均为恒转矩负载，为了保证低速运行时电动机温升在容许值内，须采用变频专用电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通笼型异步电动机加装独立风扇组成，并且提高了电机绕组的绝缘能力，可在3~100Hz范围内连续运行。3~50Hz范围内为恒转矩运行，50~100Hz范围内为恒功率运行。 3.3 电动机绝缘的影响 现在市场上出售的通用变频器大多采用PWM调制方式的IGBT逆变器技术，其输出电压由高压脉冲组成，峰值约为电网电压的1.35倍。根据电机电缆特性及供电距离的不同，脉冲电压的峰值在电动机接线端子处可能加倍，这就对电动机的绝缘提出了更高的要求，详细情况应参阅变频器生产厂家提供的使用手册或向电动机生产厂商咨询。 为了满足1100t变频调速门式起重机对电动机提出的要求:具有高启动转矩、低速满转矩、高绝缘等级、宽调速范围、高运行效率和高可靠性等，起升、大车和小车运行机构的驱动电动机均选用变频调速三相异步电动机，经过载荷换算和机械效率计算各运行机构驱动电动机的数据如下: (1) 4台起升变频调速电动机参数为:YP2 280M-8，PN=45kW，IN=93.5A，TN=581Nm，n=740r/min; (2) 4台小车变频调速电动机参数为:YZP112M-4，PN=4kW，IN=9.5A，TN=26Nm，n=1415r/min; (3) 16台大车变频调速电动机参数为:YZP132S-4，PN=5.5kW，IN=12.2A，TN=36Nm，n=1450 r/min。 4 变频器的选用 能满足门式起重机运行特点，即具有高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制等功能的高性能工程型变频器，主要有ABB公司的ACC600系列直接转矩控制型变频器;西门子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型变频器。下面就门式起重机的起升、平移机构的变频器选用原则做以详细说明。 4.1 起升机构 变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即: 式中:k—过载系数1.33; PM—负载要求的电动机轴输出功率，kW; η—电动机效率; cosφ—电动机的功率因数。 起升机构要求的起动转矩为1.3~1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6~2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60s、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。 在变频器容量选定后，还应做电流验证，即: ICN≥kIM 式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05～1.1) ICN—变频器额定输出电流，A IM—工频电源时的电动机额定电流，A 1100t变频调速门式起重机有两个独立驱动的起升机构，每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，变频器选用ACC600直接转矩控制型提升机专用变频器，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，每台电动机采用带脉冲编码器的速度闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用ACC600变频器提供的具有同步控制功能的主从控制宏方案，这些控制方案可以实现2台电动机的精确同步控制和转矩平衡分配。 按照上述变频器选用、计算公式进行换算，双起升机构选用4台ACC601-0120-3提升机专用变频器，其技术参数:Shd=100kVA，Phd=75kW，I2hd=147A(4/5min负载周期重载应用)。变频器配用的4个脉冲编码器为NTAC-02，其技术参数:fmax=100kHz，Vcc=24VDC，1024p/r，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信号输出。如图1所示，每个起升机构2台驱动变频器之间提供同步控制功能的主从控制宏通过变频器主机与从机通道CH2之间的主/从通讯链接实现。起重机的各种操作信号只送给主机变频器，从机变频器经由主从光纤通讯链路受控于主机变频器，在本例中主传动是典型的速度控制，从机变频器跟随主机的速度给定。用于速度闭环控制的脉冲编码器模块NTAC-02连接于相对应变频器的通道CH1，且必须设置下列参数: (1) 50.04 ENCODER CHANNEL:CHANNEL 1; (2) 70.03 CH1 BAUDRATE:4 Mbit/S。 4.2 平移机构 1100t变频调速门式起重机的平移机构分大车机构和双小车机构，两种机构均采用多台电动机传动方案。由于门式起重机平移机构的转动惯量较大，为了加速电动机需有较大的起动转矩，因此门式起重机平移机构所需的电动机轴输出功率PM应由负载功率Pj和加速功率Pa组成，即: PM≥Pj+Pa 由于平移机构采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，因此在变频器容量选择时，还要满足以下公式: ICN≥knIM 式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05~1.1) ICN—变频器额定输出电流，A IM—工频电源时单台电动机的额定电流，A n—一台变频器拖动的电动机数量 1100t变频调速门式起重机的大车机构和双小车机构均采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，变频器选用FUJI公司生产的G11系列通用多功能变频器。按照上述选型、计算公式进行换算，大车变频器选定为FRN132G11S，其技术参数:Shd=192kVA，Phd=132kW，I2hd=253A; 2台小车变频器选定为FRN30G11S，其技术参数:Shd=45kVA，Phd=30kW，I2hd=60A。由于在变频器“一拖多” 通用U/f开环频率控制方式中，变频器提供的电子热继电器保护功能无法实现对单台电动机的过载保护，为此在每台电动机回路中串入带有热过载保护功能的低压断路器，以实现对单台电动机的过载保护，电动机故障信号取自低压断路器的辅助触点。 图1 1100t变频调速门式起生I机#主钩控制原理图 5 再生能量的处理 当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或平移机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。 在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案: (1) 在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动; (2) 采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。 动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下(电网压降不大于10%)，才可以采用回馈制动方式。在再生发电制动运行时，电网电压的故障时间大于2ms，则变频器控制板用“低电压”故障切断<