起升机构变频器设计方案的改进_起升机构的变频调速

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一种经济的起重机起升机构变频调速方案

摘要：

本文通过对具有主、副起升机构的起重机械的常规变频控制方案的分析对比，针对常规变频控制方案在控制结构及造价成本上的不足，提出了一种经济实用的起重机起升机构变频调速方案，并对关键设备的选型及注意事项进行了详细的说明。

关键字：起重机、变频调速、制动电阻、改进方案

An economic and practical frequency control scheme of lifting mechanisms of cranes Abstract: In order to make good for the insufficiency in the structures of the control system and the cost,，an economic and practical frequency control scheme of lifting mechanisms of cranes is put forward in the article, by comparing and analyzing the conventional control configuration for lifting mechanisms with main and auxiliary hoisting.Furthermore, two other questions ,that is how to select the type of key-equipments and the matters should be taken care of , are also explained in detail in the article.Key words：crane、frequency control、breaking resistor、improvement program 引言

现今变频技术在起重机械设备中已得到了广泛的应用，该技术的应用不仅使整个电气控制系统的结构大为简化，而且降低了系统的故障率，提高了起重机械的可靠性和可维护性。常规的变频器控制方案大都是采用一台变频器驱动一台电机，而对于有主副钩两套起升机构的起重机械，主副钩是不应同时运行的（特殊场合使用的起重机除外），对于这类设备仍采用常规配置，会增加设备成本，同时也降低了变频器的利用率，为此，我们设计了一种经济的起重机起升机构变频调速方案。

1、常规变频器配置方案及其不足 最近十几年，变频器在起重机械上的应用日益广泛，并且配置方案也比较完善，应用技术逐渐成熟，但其应用仍有很大的发展空间。现在的变频器控制的起升机构采用最为广泛，也最为典型的电气控制方案，是采用一台变频器控制一台电动机进行调速的典型模式，其中起重机械主副钩电气主结构图见图1所示。

图

1、常规起升机械主、副机构电气主结构

对于大部分的主副钩机械，除了提升重量的差别（反映到电气上是电机功率的差别）外，其电气控制原理及控制方式都基本相同，同时在常规设计中这两个结构是不允许同时运行，两台变频器只运行一台，这在技术上和运行方式上对该典型方案的改进提供了可能性。

对于变频起升机构，变频器约占电气系统成本的一半左右，而主、副钩变频器的容量远大于大车及小车用变频器容量，如经过对该常规方案的改进，可以节约25%左右的电气系统成本，在经济成本上具有必要性。

2、改进方案及其优越性

经过改进后的方案，其主副钩电气主结构见图2所示，即主、副钩电机由一台变频器驱动，变频器的选择以主钩电机（容量较大的电机）容量配置，变频器输出经过两个接触器互锁切换，当需要主提升运行时，在变频器无电流输出或者变频器停止运行时首先切换变频器输出至主钩电机（即KM2闭合，KM3断开）后，通过变频器进行主提升控制；主提升完成后，如需要副提升运行时，在确保变频器无电流输出或者变频器停止运行时，切换变频器输出至副构电机（即KM3闭合，KM2断开）后，通过变频器进行副提升控制。

在速度给定方式的选取上，绝大多数的变频器都有多种速度输入方式，如多级开关量给定方式和模拟量给定方式。对于常规变频起升机构，大多采用开关量作为速度给定，多级开关量给定方式还分为采用PLC与变频器通讯控制和PLC输出继电逻辑控制两种。笔者认为，考虑到安全性能及简洁性，PLC与变频器通讯控制方式应当作为首选，PLC输出继电逻辑控制方式可以作为备用控制方式，从而在安全性能上进一步提高（如果考虑成本问题，也可只用一种控制方式）。

图

2、改造后起升机械主、副机构电气主结构

在主副钩电机切换的同时，应同时通过中间继电器切换相应电机的编码器，以完成闭环控制（针对于需要闭环控制的提升机构）。这样在完成同样的控制功能的情况下，节省了一套变频装置，同时也节省了主控制器的I/O点数，简化了控制方式及控制程序，使操作更简单、更安全。

3、新方案的主要设备选型

3.1、接触器

变频器输出接触器（KM2、KM3）的功能至关重要，如出现触头粘着等故障，可能会损坏变频器甚至出现事故，所以该接触器优先选用ABB或者同等品牌的接触器。必要时可用采用降容措施。3.2、制动电阻

起重机械的很多故障大多是发生在起吊重物下放的工况，在这个工况，起重机大多工作在制动工况，常见故障如溜钩、超速、过压等。故而起吊重物下放时变频控制系统的性能好坏将直接影响整个起升机构能否安全运行。制动单元及制动电阻的选配也就显得尤为重要。

(1)制动电阻阻值选取

制动电阻的大小和制动转矩有关系，制动转矩太大，会导致电机过快减速，以至于过电压，制动转矩太小，达不到相应的制动效果，一般情况下制动电阻的确定可按下式范围选取： UDH2.5UDHRVIMNIMN（1）UDH

——变频器制动单元动作时直流电压（三相380V时可按700~750V选取）IMN

——变频器负载电动机的额定电流（A）RV ——制动电阻阻值（Ω）

制动转矩与制动电阻近似成反比关系，相对应的近似制动转矩范围如下式所示：

2TMNTV0.8TMN（2）TV ——制动转矩（N∙m）

TMN ——变频器负载电动机的额定转矩（N∙m）

在两台电机公用一台变频器时，当两台电机容量相差不大时，可根据制动转矩要求选择两者都适用的电阻值，当不能满足此要求时，可以采用两级电阻值，在主副钩不同工况时，投入相应的电阻值。(2)制动电阻功率选取

电阻的功率的选择，若选择太大，会使系统成本增加，太小就会造成电阻发热严重甚至会造成故障。但由于影响电阻功率的因素较多，比如电动机功率大小、下降运行时间长短、减速运行时间以及传动机构的转动惯量等都会影响到电阻功率的选取，而且一些参数是很难精确计算的或者是随现场情况而不断变化的，从而使得准确选择其功率大小是相当繁琐和困难的。

在通常情况下，电阻功率根据其制动工况对接入制动电阻时的消耗功率进行修正而得到的。

对于重复制动的起重机械，其电阻功率按下式计算：

2UDHPRED%RV（3）

PR——电阻选用功率（W）ED%——电阻功率修正系数

由于该起重机械是需要反复制动的，在重复制动且制动时间较短的情况下，制动电阻的选用功率PR与制动占空比η（每次制动时间与每两次制动之间的时间间隔的比值）有近似线性关系。制动占空比越小，制动电阻功率的降额使用的幅度越大（ED%越小）。见图3所示。

由图3所示选用功率PR与制动占空比η对应关系，并根据各变频器说明书所提供相关数据的统计结果，ED%的粗略取值如下（PMN为电动机额定功率）：

PMN≤18.5kW时，0.11 ≤ ED% ≤ 0.3；（4）PMN≥22kW时，0.25 ≤ ED% ≤ 0.4；

提升机构：0.6 ≤ ED% ≤ 0.8；（5）

图 3 制动电阻功率与制动占空比的关系图

由于共用一台变频器后，制动占空比近似增加一倍，从图中分析可得，电阻使用率与制动占空比近似成正比关系，同时考虑到余量，故电阻使用率的的选取可粗略按如下取值：

PMN≤18.5kW时，0.22 ≤ ED% ≤ 0.5；（6）PMN≥22kW时，0.5 ≤ ED% ≤ 0.8；

提升机构：0.6 ≤ ED% ≤ 0.8；

（7）

4、使用效果和结论

该方案已应用到120t/75t龙门吊项目中，在该项目中，控制方式采用PLC与变频器通讯控制作为主控制，PLC输出继电逻辑控制作为备用控制。采用此方案后，完全达到了改进前的控制功能及制动效果，并得到客户的认可和肯定。

本文所讨论的方案不仅大大节省了工程投资成本，为企业提高市场竞争力提供了先机，而且还提高了设备的利用率，是对于起重机械的变频控制技术的一种新的尝试。

参考文献

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