起重机控制系统可靠性问题 点击：8228 | 回复：78
变频器主回路布线设计：
变频调速起重机起升机构的变频器不论采用直接转矩控制(DTC)方式，还是矢量控制方式，它们都要使用电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然把长距离线路阻抗加入到了参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到控制要求。另外，变频器与电动机之间的敷设距离长，则线路压降大，有时产生电机转矩不足。特别是变频器输出频率较低时，其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为容许值，电机电缆的截面可据此来选择。
由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，采用PWM控制方式的变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够。所以在门式起重机的布线设计中，应力求减小变频器到电动机的电缆的长度总和。
发表于：2006-12-10 13:25:00
25楼
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共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，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起重机交流调速技术发展的主流。
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起重机交流调速技术发展的主流。
发表于：2006-12-10 13:33:00
26楼
起重机的运行特征：
a.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。
b.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。
c.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。
d.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。
a.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。
b.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。
c.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。
d.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。
发表于：2006-12-10 13:37:00
27楼
起重机用电动机的选用：
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。
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。
发表于：2006-12-10 13:42:00
29楼
起升机构：
变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即：
k PM
P0[KVA] ≥ ————
ηcosφ
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60秒、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
变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即：
k PM
P0[KVA] ≥ ————
ηcosφ
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60秒、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
发表于：2006-12-10 13:45:00
30楼
平移机构
变频调速起重机的平移机构分大车机构和双小车机构，两种机构大多均为多台电动机传动方案。由于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
变频调速起重机的平移机构分大车机构和双小车机构，两种机构大多均为多台电动机传动方案。由于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
发表于：2006-12-10 13:49:00
32楼
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”故障切断并断开网侧接触器，退出回馈制动运行，从而造成制动不能连续进行的故障。对于采用滑触线供电的门式起重机，应特别注意防止滑触线电刷接触的间断，如果不能保证这一点，应采用动力制动方式，以保证起升机构持续下降时调速制动的可靠性。
发表于：2006-12-10 13:53:00
33楼
PLC在变频调速系统设计中的应用
1.PLC硬件配置
起重机变频调速系统设计中，为了减少继电器的用量、提高电控系统可靠性和增加系统控制灵活性，可以引入了PLC控制。PLC主要完成各机构变频器的给定指令和变频调速系统的各种保护信号的逻辑控制。为了提高PLC控制系统的灵活性和可维修性，建议PLC选用模块式。为了实现对门吊操作信号的实时监控和各种故障信号的智能显示，控制系统还可以采用触摸屏进行智能显示，触摸屏与PLC通过总线接口的通讯电缆进行数据交换。维修人员可根据智能显示屏的故障诊断提示实现快速维修，从而缩短了门吊发生故障后的修复时间。
1.PLC硬件配置
起重机变频调速系统设计中，为了减少继电器的用量、提高电控系统可靠性和增加系统控制灵活性，可以引入了PLC控制。PLC主要完成各机构变频器的给定指令和变频调速系统的各种保护信号的逻辑控制。为了提高PLC控制系统的灵活性和可维修性，建议PLC选用模块式。为了实现对门吊操作信号的实时监控和各种故障信号的智能显示，控制系统还可以采用触摸屏进行智能显示，触摸屏与PLC通过总线接口的通讯电缆进行数据交换。维修人员可根据智能显示屏的故障诊断提示实现快速维修，从而缩短了门吊发生故障后的修复时间。
发表于：2006-12-10 13:58:00
34楼
2.变频器控制部分的PLC程序设计（下面以2003年我设计的国内目前起吊吨位最大的1100t全变频门吊为例进行说明）
双起升机构的驱动变频器由于采用ACC600起重机专用变频器，变频器的速度给定来自于PLC输出触点，因此采用ACC600提供的分级无线电给定（STEP RADIO）控制模式。它支持4种不同的速度级别，其速度给定由第一个速度级别的方向命令加上另外三个用于不同速度级别的触点指令构成。触点可连接到设置的DI（包括扩展I/O模块）上，相应的速度给定级别由参数64.13SPEED REF LEVEL1到64.16 SPEED REF LEVEL 4设定。只有较低级的分级触点全部闭合，高一级的才能激活。例如：当闭合触点要打开第4级的分级给定时，第2、3级的触点必须闭合。STEP RADIO控制模式不需要零点位置输入信号，操纵杆监测功能无效。双起升机构的PLC程序主要完成起升变频器给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
大、小车机构的驱动变频器采用FUJI公司通用多功能G11系列变频器，变频器的速度给定采用多段速标量控制，它来自于PLC的二进制编码形式输出触点。大、小车变频器均为5档速度，每档速度的设定值在C05多步频率1到C09多步频率5中灵活设置。大、小车机构的PLC程序主要完成变频器二进制编码多段速标量控制模式给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
双起升机构的驱动变频器由于采用ACC600起重机专用变频器，变频器的速度给定来自于PLC输出触点，因此采用ACC600提供的分级无线电给定（STEP RADIO）控制模式。它支持4种不同的速度级别，其速度给定由第一个速度级别的方向命令加上另外三个用于不同速度级别的触点指令构成。触点可连接到设置的DI（包括扩展I/O模块）上，相应的速度给定级别由参数64.13SPEED REF LEVEL1到64.16 SPEED REF LEVEL 4设定。只有较低级的分级触点全部闭合，高一级的才能激活。例如：当闭合触点要打开第4级的分级给定时，第2、3级的触点必须闭合。STEP RADIO控制模式不需要零点位置输入信号，操纵杆监测功能无效。双起升机构的PLC程序主要完成起升变频器给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
大、小车机构的驱动变频器采用FUJI公司通用多功能G11系列变频器，变频器的速度给定采用多段速标量控制，它来自于PLC的二进制编码形式输出触点。大、小车变频器均为5档速度，每档速度的设定值在C05多步频率1到C09多步频率5中灵活设置。大、小车机构的PLC程序主要完成变频器二进制编码多段速标量控制模式给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
发表于：2006-12-10 14:05:00
35楼
电磁兼容性设计
现在市场上出售的变频器大多采用不可控整流电源及PWM脉宽调制技术，致使变频器输出电流富含各种高次谐波，属于强电磁干扰源。电磁干扰是通过传导和辐射这两种耦合方式进入PLC控制系统，产生干扰的。因此，消除或减弱干扰的方法针对干扰形成的三项因素，即干扰源、干扰途径和敏感电路，我们采取了以下两方面的措施。
一是消除或降低干扰源的强度。变频器属于强电磁干扰源，PLC的安装尽量远离它们。本例中，PLC和变频器安装在不同的电控柜内。为了减少谐波污染造成的干扰，尽量降低变频器的载波频率。
二是破坏干扰途径，防止干扰侵入敏感电路。过程通道是PLC的I/O接口与其外围设备进行信息传输的路径，长线传输引入的干扰是主要因素。
现在市场上出售的变频器大多采用不可控整流电源及PWM脉宽调制技术，致使变频器输出电流富含各种高次谐波，属于强电磁干扰源。电磁干扰是通过传导和辐射这两种耦合方式进入PLC控制系统，产生干扰的。因此，消除或减弱干扰的方法针对干扰形成的三项因素，即干扰源、干扰途径和敏感电路，我们采取了以下两方面的措施。
一是消除或降低干扰源的强度。变频器属于强电磁干扰源，PLC的安装尽量远离它们。本例中，PLC和变频器安装在不同的电控柜内。为了减少谐波污染造成的干扰，尽量降低变频器的载波频率。
二是破坏干扰途径，防止干扰侵入敏感电路。过程通道是PLC的I/O接口与其外围设备进行信息传输的路径，长线传输引入的干扰是主要因素。
发表于：2006-12-10 14:10:00
36楼
变频器主回路布线设计：
变频调速起重机起升机构的变频器不论采用直接转矩控制(DTC)方式，还是矢量控制方式，它们都要使用电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然把长距离线路阻抗加入到了参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到控制要求。另外，变频器与电动机之间的敷设距离长，则线路压降大，有时产生电机转矩不足。特别是变频器输出频率较低时，其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为容许值，电机电缆的截面可据此来选择。
由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，采用PWM控制方式的变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够。所以在门式起重机的布线设计中，应力求减小变频器到电动机的电缆的长度总和。
发表于：2006-12-10 14:13:00
38楼
随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，加之它的价格不断下降，使其成为起重机械一种优选的调速方案。但是，要使变频器成功地应用于起重机调速，就必须针对起重机的特点，计算和选择变频器及其外围的辅件，并在安装与布线时采取特殊技术措施，以保证变频调速的起重机安全、可靠地运行。本文提出的变频调速控制方案和设计计算方法已成功应用于我公司给中国一重集团制造的目前我国起吊量最大的门吊——1100t变频调速门式起重机，该门吊已在神华集团的煤液化基地投入正常运行。经过三年多的实际运行证明，PLC控制的变频调速门式起重机，不但线路大为简化，而且各项调速性能均优于传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统，再加上变频器和PLC完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。
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