变频调速在浮式起重机起升机构上的应用

何永刚
（重钢股份公司机动处）


【摘要】论述了变频调速技术在浮式起重机起升机构中的应用，以具体工程实例为依据对变频调速控制系统进行了全面分析，得出了变频器在浮式起重机使用中的选型要求。
【关键词】浮式起重机；起升机构；变频调速

    起重机广泛运用于工业领域，由于其提升高度大、司机室位置较高，因此操纵难度大，尤其是起吊时对吊重的快速、准确就位要求高，所以其起升机构调速性能要好。传统的起升机构调速方法较多，有变极多速电动机调速机构、能耗制动调速机构、涡流制动调速机构等，这些调速机构都存在着调速范围小、速度稳定性差等缺点，无法长时间低速下降载荷(大起重量的起重机低速运行时间都超过20％机构总运行时间)，而且可靠性低、维护量大、能耗高。自1995年以来，国外起重机已普遍采用交流变频调速技术，而国内目前在起重机上还较少采用这一技术。由于浮式起重机起升机构具有双电机驱动的特殊性，本文就变频调速技术在重钢运输部浮式起重机起升机构上的应用作一探讨。
1 电动机的选择
1．1初选电动机
起重机起升机构电机应选用适合频繁起动、转动惯量小、起动转矩大的变频电机。电动机功率P按下式计算 ：
         （1）
式中
 W —— 额定起重量(最小幅度时)+吊钩质量+钢丝绳质量(N)；重钢四码头双10吨浮式起重机起重重量为：10吨。
  —— 提升速度(m／s)；重钢四码头双10吨浮式起重机提升速度为：55m/min。
 ——机械效率；重钢四码头双10吨浮式起重机起升机构由4个滑轮组成，其效率为 。
     ——考核过载能力系数；一般取值1.25。
     ——多电机传动，电动机负载系数。对双绳抓斗的开闭机构和起升机构，每个机构的取值系数为0.66。
对重钢运输部四码头双10吨浮式起重机起升机构电动机：
 
   =80.4kW
   所以初选电动机YZPBF355M-10，额定功率：90kW  ，额定电压：380V  ，频率：50HZ，工作制  。
1．2过载能力校验
      （2）
  式中
    ——基准接电持续率时，电动机额定功率。
 W —— 额定起重量(最小幅度时)+吊钩质量+钢丝绳质量(N)；重钢四码头双10吨浮式起重机起重重量为：98000。
       ——机械效率；重钢四码头双10吨浮式起重机起升机构由4个滑轮组成，其效率为 。
    m—— 电动机个数。   
 ——基准接电持续率时，电动机转矩允许过载倍数，对于绕线式异步电动机 ，对于笼型异步电动机 。
H——系数，对于绕线式异步电动机 ，对于笼型异步电动机 ，对于直流电动机 。
由于 kW,满足上式。
1．3电动机发热校验
对于重钢运输部起升机构用电动机其工作制大致为 -60%，故所选电动机用于该工作制时，其折算功率为：      kW  =80.4kW       （3）
式中
 ——折算系数
    所以，该电机通过发热校验。
对重钢运输部四码头双10吨浮式起重机起升机构电动机选用型号：YZPBF355M-10-CCP ， 额定功率：90kW ， 额定电压：380V ， 频率：50HZ  ，电流：192A ，额定转速： 592r/min ，转动惯量：   ， 转矩：   ，工作制：  的变频电机 。

2 变频器的选择
2．1 变频器的容量
起升机构平均起动转矩一般来说为额定转矩值的1．3～1．6倍，考虑到电源电压波动及需要通过110％额载的动载试验要求等因素，其最大转矩应是负载转矩的1．8～2．0倍，以确保安全使用。通常对于普通鼠笼电机来讲，等额变频器仅能提供<150％超载负载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200％的负载力矩值。变频器容量 按下式计算：
              （4）
式中
K—— 过载系数，K =1．8～2．0，对重钢四码头双10吨浮式起重机起升机构K=2.0；
 ——起升额定负载所需功率；对重钢四码头双10吨浮式起重机起升机构 = = W；
  电机效率， =0．85；
cos  ——电机功率因数，cos =0．75；
k ——电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，PWM方式变频器的k=1．05～1．1；对重钢四码头双10吨浮式起重机起升机构用变频器k=1．05；
     ——变频器过载能力系数；取 =1.5；
对重钢运输部四码头双10吨浮式起重机起升机构变频器容量 计算为：
 kW
按照安川公司G7系列变频器选择变频器：CIMR-G7A4132
以上变频器的容量是依据负载功率来计算，如果按在电机额定功率的基础上提高一档的方法选择变频器的容量，则可能由于电动机容量过剩而造成变频器的容量过剩，从而造成不必要的浪费。在确定变频器功率的基础上还须做电流验证
 >                （5）
式中 
 — 变频器额定电流(A)；
 — 电机额定电流(A)。
   对于选用的电动机及变频器满足（5）式，并且    
   所以，选用的电动机和变频器是适合的。
2．2 专用变频器
起重机起升机构的运转具有大惯性、四象限运行的特点，与其它传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求， 目前市场上专用变频器的品种很多，如安川VS一616G5系列、安川VS一616G7系列、日本富士G9S系列、日本富士G9S系列、三菱FR—A0241S／A044等。本文介绍安川VS一616G7变频器在起重机起升机构中的应用，它是多功能全数字式变频器，具有如下特点。
1）全程磁通矢量控制，在1Hz的低频下，即使无速度反馈环节也能提供150％额定转矩的起动力矩。
2）可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。
3）在全速范围内具有恒转矩特性。起重机起升机构的控制原理如图1所示，该系统通过可编程序控制器(PLC)无触点控制吊钩的升降及速度档位，同时系统安装了旋转编码器速度反馈器件以实现闭环运行。
起重机起升机构控制系统中需引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。本控制系统中通过PLC和变频器之间信号的适当配合、利用VS一6165G7变频器具有的零速全转矩功能可有效地防止溜钩。其原理是变频器在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩且不需要速度反馈，这保证当吊钩由升降状态降速为0时电机能使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。
3 制动单元和制动电阻的选择
3．1 制动单元
在采用变频器的交流调速控制系统中，电动机是通过降低变频器输出频率而实现减速的