门座式起重机的变频调速系统设计研究

摘 要：作为起重机系统设计的关键环节，变频调速系统的良好设计对于保证门式起重机的正常运行具有重要作用。文章首先介绍了门座式起重机变频调速系统控制方式，然后具体探讨了门座式起重机的变频调速系统设计，以期为相关技术与设计人员提供参考。

关键词：门式起重机；变频调速系统；设计

传统的门座式起重机多选用绕线式异步电机转子串电阻的有级调速方法，此种方式形成的起动电流較大，容易对设备产生异常冲击，导致机械结构部件发生损坏，严重时则会缩短设备正常使用年限。而变频调速系统，能在较大范围内进行高效连续调速控制，可完成正反转切换，可实现高频度起停运转及电气制动，且占用电源容量较小，是一种较为理想的控制方式。因此，加强有关门座式起重机变频调速系统设计研究，对于改善门座式起重机调速水平具有重要现实意义。

1 门座式起重机变频调速系统控制方式

1.1 矢量控制方式

通常的矢量控制型变频器的数字给定分辨率能够达到0.001Hz，高限输出频率可保持在120Hz～650Hz范围内，可在紧凑型异步电动机、恒磁同步电机、磁阻电机和标准异步电动机等电机系统内应用，功率范围可控制在2.2kW～1500kW之间。在选用矢量控制变频器时，电动机极数应与变频器规定极数相一致；在动态指标相对控制较为严格时，或需进行闭环转矩控制时，或转速精度控制较高时，应进行转速反馈；根据矢量控制过程原理，一台适量控制变频器应单独对应一台电动机，才可实现变频器的矢量控制。可精确探测并调控由磁通和转矩形成的电流是矢量控制的前提，在选用无速度反馈适量控制时，磁通和转矩计算准确性可能较差，但调速系统稳态精度并不会发生改变。所以，若生产工艺在动态性能方面要求不高，不应随意增大速度反馈。[1]

1.2 v/f控制方式

通常的v/f型变频器的模拟与数字给定分辨率可分别达到0.04Hz和0.01Hz，高限输出频率可保持在120Hz～650Hz之间，可在恒磁同步电动机、磁阻电动机和便准异步电动机系统内使用。该控制方式对电力系统的波动范围要求是：频率应为±6%，电压应为±15%。通用变频器的基本控制特性为电压频率恒定，部分变压器还有其他类型的控制特性曲线，用户可依据负载状况选择恰当的曲线。因标量控制算法无需速度及电机模型数据，所以速度闭环可用于促进实现电机的速度跟踪特性。因v/f控制自身控制技术为标量的，这在一定程度上约束了变频器的动静态特征。因此，开环控制方式是其主要应用方式。

2 门座式起重机变频调速系统设计

2.1 变频调速系统主电路

门座式起重机变频调速系统主电路通常包含电抗器、断路器、制动单元、变频器和接触器几部分。工作时，操控人员利用主令控制器对电动机正反转及速度档位进行调整，可编程控制器在接收操控命令后实施程序运算，同时向中间继电器线圈通电，对中间继电器的主触头吸合进行控制，由此连通变频器线路，保证电动机运转。变频器内的零速信号和故障输出信号会反馈到可编程控制器内，零速信号用于控制器编程完成零速刹车，而故障输出信号则用于在变频器产生故障时，可编程控制器可随时中止输出运行命令。

2.2 变频器选型

选择变频器时应考虑以下内容：（1）在电网电压异常时，可能会对变频器造成损伤，所以对于电网电压高于变频器限定范围的场合，应使用变压器进行调整，以保证变频器运行的安全性；（2）在工作温度长时间较高的条件下，若变频器安置在通风冷却较差的机柜内时，会缩短变频器使用寿命，对于电解电容器等部件在高于限定温度条件下，每增大10℃则使用寿命会相应降低50%。所以工作环境温度应保持在一定范围内，除安置有效的通风冷却系统以确保变频器安全运行，在选型时还应尽量增大一个容量等级，以确保在额定运行时，温升会适当降低；（3）对于通用变频器选用v/f常数控制方式即可满足使用要求，对于负载范围较大，且工作精度要求较高的，尤其是在低速运行时要求具有恒定负载性能及速度的，则应选用矢量变频器。[2]

本系统工作环境温度一般保持在0～40℃范围内，依据变频器选用原则，可使用Varispeed G7系列变频器。此种变频器可进行停止型自学习，采用无PG矢量2控制，即便在没有PG状态下也能进行力矩控制，且能对电机上的冲击电压进行良好抑制。起升机构采用G7A4132型变频器，最高适用电机容量可达到132kW，变幅机构采用G7A4045型变频器，最高适用电机容量可达45kW。起升与变幅机构都选用适量控制方式，一台变频器对应一台电动机。

2.3 可编程控制器选型

可编程控制器是一种基于微处理器技术，结合自动控制技术、半导体集成技术、数字技术、计算机技术和通信网络技术研发形成的通用工业自动控制设备。可编程控制器主要由通信接口、存储器、智能接口模块、中央处理单元、编程装置、通信接口等部分构成。为保证系统可靠性，设计时应考虑以下几点：（1）做好系统失压保护；在起重机装卸场地，供电水平通常较低，低电压、波动、干扰等异常情况多发，其都会影响可编程控制器的运行。虽然多数可编程控制均具备较强的电源适应能力，但选用高性能的稳压电源可大幅度增加系统可靠性；在程序开发时，还应考虑失压状态下系统初始状态的恢复与联锁；（2）应保证输出模块负荷存在一定余地，减小输出端口负荷的基本方式是在模块内布置相应的功率放大环节，也就是采用保持功率与吸合功率都较小的中间继电器实施切换；（3）应加强对输出模块的外电路保护，为避免由于外电路短路问题导致输出端口损伤，应在输出口安置短路保护装置。设计可选用欧姆龙C200HE系列可编程控制器，该种控制器包含一个CPU模块、一个电源模块、四块输出模块和六块输入模块。[3]

2.4 电动机选型

门座式起重机的变幅电动机和起升电动机工作要求相对较高，应尽量选用笼型转子异步电动机。变频电动机主要采用PWM调制电压波实施传动，在无输出滤波器的系统内会产生大量的高次谐波，此类谐波容易对电动机运行产生干扰，引发电动机发热。所以在设计变频电动机时应保证有良好的冷却风道。另外，因变频电动机可在零速状态与低频状态工作，电动机风道难以进行热量交换，所以大功率变频电动机应设置冷却风机。

2.5 选择恰当的制动单元与制动电阻

设计科选用直流制动、再生制动与电磁机械制动组合方法。为保证制动单元内功率管不会被冲击，制动电阻应依据以下公式进行计算：

其中P表示电机功率，Uc表示制动时母线上的电压，R表示制动电阻。若变幅机构选用两组CDBR-4045制动单元进行并联运行，则各制动单元的制动电阻应控制在8Ω左右。

3 结束语

变频调速系统的设计质量直接关系到门座式起重机的运行质量及经济效益，因此，相关技术与研究人员应加强有关门座式起重机变频调速系统设计研究，总结变频调速系统设计要点及关键环节设计措施，以逐步提升变频调速系统应用水平。

参考文献

[1]秦凡.门座式起重机变幅机构的变频调速系统研究[D].武汉理工大学，2010，5（35）：57-58.

[2]赵晓明，鲍春宇.变频器在门座式起重机控制系统中的应用[J].电机与控制应用，2011，6（10）：61-62.

[3]徐德麟，胡申明，沈 .变频技术简介及安川起重机电控系统应用[J].港口科技，2012，13（14）：74-75.

作者简介：董锦昭（1987-），男，河北唐山人，学历：本科，工作单位：曹妃甸港集团股份有限公司，技术保障科科长，研究方向：设备管理。