变频调速在位能负载中的应用

何继平 卢秀珍

摘要：随着变频技术的日趋成熟，它在工业生产的各个领域发挥了重大的作用。本文通过将变频调速技术引入典型位能性负载——桥式起重机的介绍，阐述了变频调速在位能负载中应用的可能性及它有利的一面。

关键词：变频调速；位能；应用

桥式起重机、抓斗起重机、行车、卷扬机等这一类生产机械一般都是为了提升重物而设计的，它们具有位能负载的特性，属于恒转矩类负载，即转矩大小与转速n无关。这一类位能负载它们有一个共同的特点：电机都选用绕线式电机YR或YZR，通过分级切换转子所串电阻来实现调速的目的。这种控制方式往往需要有庞大的控制系统，如切换用的分级切换接触器、正反转接触器及控制继电器、电阻器等，体积庞大且维修量较大，又浪费电能。起升或下降重物的过程中频繁切换，对生产机械及电气元件的寿命造成了影响。如果将变频调速引入原系统，则可取得良好的效果。以下通过将变频器应用到32/5T桥式起重机为例说明，变频调速技术在位能负载应用中的优越性。

一、采用变频器的系统构成

鉴于变频调速改造是在原系统基础上进行的，所以应本着大体上不改变原系统构成方式、经济、简约的原则来构成系统。系统构成框图如图1所示。原桥式起重机共有大车、小车、主钩和副钩5台电机，大小车均使用凸轮控制器直接串入电机定子主回路、转子主回路进行切换调速，因为它考虑到大小车电机容量较小，不用增加附助的接触器，所以本着经济的原则可以不改变原大小车的控制方式，仍然采用凸輪控制器控制大小车的运行、调速。主钩电机因容量较大，原设计采用正反转接触器及四级分级切除电阻接触器控制电机的运行、调速，我们可以采用一台变频器来替代正反转及四个分级接触器，将原电机转子回路短接使用，而不需要更换电机。原主钩主令控制器改为变频器的速度与方向给定源，利用不同的档位给出不同的方向和多级速度，输入到变频器的输入端。限位保护、变频故障、零位保护、失压保护统一由一个继电器逻辑完成。机械制动器仍然必要，除了机械制动还需增加制动电阻，即在下放重物时若电机运行至再生发电状态，再生的电能将由变频器直流回路上接入的制动电阻消耗掉，同时产生制动力矩。副钩的变频改造同主钩，也采用一台变频器控制副钩的运行、调速。

二、采用变频调速时电动机运行状态分析

大小车控制方式没有改变，因此它的电动机机械特性没改变。主钩和副钩采用变频调速时的机械特性如图2所示，是一组平行的曲线，变频器输出频率变化时，电机机械特性上下平移，而不是像切换电阻调速时那样特性变软，因此具有较好的机械特性。在第1象限电机的上升段，随着上升三种给定频率，对应着三条特性曲线n1、n2、n3，电动机正向电动运行。在第3象限下降段，随着下降三种给定频率，对应着三条特性曲线n1'、n2'、n3'，电动机反向电动运行。若由于负载较重，则进入第4象限，电机处于再生发电制动状态，电机上施加的是正方向转矩，而货物以负方向高速下放直至一个稳定的转速，再生的电能回馈至制动电阻消耗掉。若负载需要低速下放，可以在低给定频率处运行。由于采用了变频调速，原桥式起重机中存在的倒拉反接制动及单相制动状态将不存在，可以将原系统中相关部分取消。因不用串电阻调速，一方面可以将电阻器取消，以减少维护量及维修成本，另一方面由于调速时不再将转子电能消耗在电阻上，这样可以节约大量的电能，而起重机大部分时间是工作在轻载低速段，所以节约的电能更为可观。

三、变频器及制动组件的选型

桥式起重机电机常常工作在频繁的起动、调速、制动工作状态，同时经常承受较大的过载和机械冲击，为此，这类电动机具有较高的过载能力，一般为2.2-2.8倍，负载性质为重复短时工作制。选用适当容量的变频器，就可以保证电机具有的过载能力，而且可以不致于使变频器经常跳闸影响生产。ABB的变频器重载应用具有150%每五分钟过载一分钟的过载能力，瞬态过载力矩也只能达到180%--200%，所以必须加大变频器容量等级。例如：32/5T桥式起重机主钩电机为55KW，就应选择高于此等级的变频器容量等级75KW。此外，为了防止溜钩，即机械制动器在抱住之前和松开之后的瞬间，发生重物由停住状态下滑的现象，需要选用具有零速时满转矩和直流强励磁功能的变频器，以有效防止溜钩。ABB变频器就具有这一功能，再配上ABB变频器的ACC提升机应用宏和抱闸控制逻辑效果更佳。另外，由于桥式起重机工作场合环境比较恶劣，粉尘大、空气潮湿、振动，所以应选用防护等级较高的产品，变频器安装也应稳固。制动组件包括制动电阻器及斩波器，将电机产生的再生电能消耗。桥式起重机主、副钩经常频繁制动，要求制动力矩大而且制动时的持续时间较长，所以应该选用制动电阻的功率加大一倍，斩波器也加大一个等级。综合上述几点，32/5T桥式起重物主副钩变频器及制动组件选用如表1所示。（ABB公司产品）

四、结束语

变频调速在位能负载中应用不但可以满足使用要求，而且可以创造良好的经济效益。传统的桥式起重机控制系统是用继电器控制，系统为了实现多种联锁与安全保护功能，继电器逻辑较为复杂，继电器与接触器频繁切换动作，故障率较高且维修成本高，为了实现调速的目的而将电能消耗在电阻上，又浪费了能源。传统的桥式起重机分级切换档位时，容易造成机械冲击，造成机械磨损。而采用变频调速时可以完全解决这些问题。变频器调速控制简单易维护，而且变频器具有软启动、软停车、节能的特点，若是条件允许，将升、降、速度给定、保护等统一纳入到PLC中集中控制变频器，则可取得更加良好的效果。

参考文献：

[1]杨宗豹.电机拖动基础[M].冶金工业出版社，1987.

[2]满永奎.通用变频器及其应用[M].机械工业出版社，1994.