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龙门吊变频器改造
专栏:行业资讯
发布日期:2013-05-28

一、 概述: 

物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备,在各工矿企业中大量使用,如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等,都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动,用于提升或下放重物,具有典型的位能负载特性。  由于启动及调速成等方面的需要,通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻,从而降低电机启动电流,并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端:

转子回路串接电阻,消耗电能,造成能源浪费。

电阻分级切换,实现有级调速,设备运行不平稳,引起电气及机械冲击。再生发电时,机械能回馈电网,造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合,会加大变压器、供电线路等方面的投资。

接触器频繁投切,电弧烧伤触点,影响接触器的使用寿命,设备维修成本较高。绕线电动机滑环存在的接触不良问题,容易引起设备事故。  

随着交流电动机变频调速器的应用和普及,人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式,采用先进的变频调速技术取而代之,实现了提升机械的平滑调速和节能运行,并将电网侧功率因数提高到0.95以上,同时省去了调速接触器、正反转接触器等硬件,完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷,使设备性能行到极大提高。

二、 龙门吊的负载的调速特性 

龙门吊用于提升或下降位能负载,无论是过平衡或欠平衡配置,必然存在电动和再生发电两个工作。绕线式电动机转子回路串接电阻调速时,通过电阻的分级切换和正反转接触器切换,实现有级调速和正反转控制。其有以下4个工作区,工作点1和工作点2为电动状态,工作点3为能耗制动状态,工作点4为再生发电机状态。  

变频调速特性为一组平行的曲线,同于变频器的频率可以连续可调,因而能够实现平滑无级调速。其有2个工作区,1区为电动区,2区为再生发电区,电能回馈至变频器的直流侧,通过制动组件泄放。

三、变频器的容量选择 

龙门吊采用变频器进行控制时,可以迁用鼠笼型电动机,对于原使用绕线式电动机的龙门吊,可将绕线式电动机的转子短接,当作笼型电机使用。常用的电动机为YZ系列鼠笼型电动机和YZR系列绕线型电动机,这两个系列的电动机,都是以工作制S3及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后,应选择相应的变频器容量。  YZ和YZR系列电动机的过载力矩一般为2.2-2.8倍,为了充分发挥电动机的负载能力,提高起重设备的安全性能,采用变频器进行控制后,必须保证变频器-电动机系统具有2.2-2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟,瞬态过载力矩只能达到180%-200%,因此必须提高所适配的变频器容量,以便提高变频器-电动机系统的瞬时过载能力。  
由上述可知,只要把变频器的容量提高20%左右,即可使变频器-电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0-2.4倍,基本满足要求。因此,应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上,即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机,应配置55KW的变频器,且变频器应具有较大的过载能力,过载率在150%一分钟以上。

根据以上所诉,贵公司的电机规格为:主吊55KW1台,副吊37KW1台,主体行走7.5KW4台,大小车行走5.5KW2台。在选用变频器时,主吊选用75KW变频器1台,副吊选用45KW变频器1台,主体行走选用11KW变频器4台,大车行走7.5KW变频器2台。


四、  制动组件的合理选用  

再生发电时机械能被转换成电能,回馈到变频器直流侧的电容器上,其结果将使直流回路的电压升高,当电压升高到某一设定值(如750V),制动单元自动控制放电用开关管导通,电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后,泄放的能量大于回馈能量,直流回路的电坟开始下降,当它下降到某一设一值(如630V),则制动单元自动控制放电用开关管关闭,停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成,维持直流回路电压在一个安全的范围之内。  

由上述可知,选择制动组件的基本原则是:

制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。

2、   制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。 通常,制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定,而平均放电能力

则取决于制动电阻的额定功率大小。 以工矿企业常用的行吊为例,说明制动组件的选取方法。                                  

行吊在某个地点以速度N1提升重物,平移到另一个地点,然后以速度N1下放重物,再回到原地继续作业,如此往复。设工作周期为T,在下放重物时电动机再生发电,持续时间为Tb,重物在电动机轴上形成的负载转矩为Mz,机械效率为η,则:   最大瞬时回馈能量pm=ηMzN1  制动时间Tb内的平均回馈能量Pb=ηMzN1  周期T内的平均回馈能量Pa=ηMzN1Tb/T  

按下弄算法选取组件的额定参数: 1、放电开关管额定电流Ibe  Ibe>Pm/750  按正常过载条件Mz=1.5Me,N1=Ne来考虑,取Ibe>1.5ηMzNe/750=1.5ηPe/750  其中,Me、Ne、Pe分别为电动机的额定转矩、额定转速和额定功率。

2、制动电阻值Rb   Rb≈(750-800)/Ibe(Ω) 3、制动电阻额定功率Pbe  制动电阻的允许过载系数K是时间的函数,其典型的特性曲线如图五所示。  由Pb=ηMzN1=ηPe(MzN1/MeNe)   Pa=ηMzN1Tb/T=ηPe(Tb/TXMzN1/MeNe)  令K1=MzN1/MeNe,制为制动负载系数K2=Tb/T,称为制率,则Pb=ηK1Pe  Pa=ηK1K2Pe         根据实际工况计算出Pa和Pb,并从制动电阻特性曲线查出与Tb对应的过载系数Kb(以40℃的环境温度为标准),同时考虑一定的安全容量,选取Pbe>1.2Max(Pb/Kb,Pa)的制动电阻。


五、调速控制方法  

采用变频调速控制的提升机械仍可使用传统的速度控制方法,如行吊的速度控制,仍使用传统的凸轮控制器,不同的档位给出了上升或下降方向指令和多级速度指令,输入到变频器的控制端,实现方向控制和调速。

1、     选用日本三菱A740-7.5KW变频器2台控制5.5KW主钩电机主体跨度上的走行,并实现同步控制,确保2台电机

速度一致,使用五级段速调速(10HZ、20HZ、30 HZ 、40 HZ、 50 HZ)以运动手柄的方式给PLC控制信号,然后给变频器运行信号。通过OUT和24伏输出特征信号,启动到5HZ输出24伏给继电器打开抱闸低于5HZ抱闸关闭。

2、   选用日本三菱A740-11KW变频器4台控制行吊主体走行,控制4台7.5KW电机同步工作,使用五级速调速(10HZ、20HZ、30 HZ 、40 HZ、 50 HZ)以运动手柄的方式给PLC控制信号,然后给变频器运行信号。通过OUT和24伏输出特征信号,启动到5HZ输出24伏给继电器打开抱闸低于5HZ抱闸关闭。

3、 选用日本三菱A740-75KW变频器1台控制主钩55KW电机起重升降,90KW制动单元一套用于停车和下降时消耗反馈的能量。使用五级速调速(10HZ、20HZ、30 HZ 、40 HZ、 50 HZ)以运动手柄的方式给PLC控制信号,然后给变频器运行信号。通过OUT和24伏输出特征信号,启动到5HZ输出24伏给继电器打开抱闸低于5HZ抱闸关闭

4、   选用日本三菱A740-45KW变频器1台控制副钩37KW电机起重升降,55KW制动单元一套用于停车和下降时消耗反馈的能量。使用五级速调速(10HZ、20HZ、30 HZ 、40 HZ、 50 HZ)以运动手柄的方式给PLC控制信号,然后给变频器运行信号。通过OUT和24伏输出特征信号,启动到5HZ输出24伏给继电器打开抱闸低于5HZ抱闸关闭

5、 所有低压电器元件选用施耐德产品,PLC选用日本三菱产品。选用日本三菱变频器主要是从其可靠性考虑,因为欧美产品如(ABB、AB、西门子等)控制精度高,但对电网供电质量要求很高。考虑到我国电网供电质量问题所以选用日本三菱产品。


六、   改造后分析

1、 控制电机启动电流

 当电机共频直接启动时,它会产生7到8倍的电机额定电流,这个电流值将降低电机的使用寿命,而使用变频器可以在零速电压启动,变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作,能充分降低电机的启动电流,提高电机寿命,降低维护成本。

2、     较好的节能效果

由于电机的功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频器启动时所需的

功率;最终的能耗也是与电机的转速成立方比的,因为龙门吊移动速度达不到工频,所以大大降低了用电量;、节约了电能。

3、     降低了机械损耗

 龙门吊通过工频启动时,对电机或相联的机械部分会产生剧烈的震动,这种震动会加剧机械的磨损减少寿命;而变频调

速能起到软启动的作用,按照加速时间与速度曲线进行平滑的加速,减轻了机械部分的震动,延长了机械寿命。

4、     简洁的控制部分

运用变频调速能优化工艺过程,并根据龙门吊的工艺通过PLC可编程控制器实现速度变化和改变运行方向,简化了控制线路,减少了电气系统的维修量;

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