桥式起重机械工况分析

　　桥式起重吊车（又称行车）是工况企业中十分常用的一种起重机械，主要结构分为：桥架、大车行走机构、小车行走机构及起升机构。其中，大车及小车机构带动吊车前后左右行走，起升机构拖动重物负载上下运动。

　　吊车的大车、小车及起升机构在运动过程中，其阻转矩基本不变，可看作为恒转矩负载。重物上升时，电动机克服重力做功，属于阻力负载；重物下降时，当重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物的位能成为下降的动力，电动机处于再生制动状态，此时重物属于动力负载。

原型拖动方案

　　吊车各部分的拖动系统，一般都需要调速。在变频技术成熟之前，绕线式异步电机转子回路串接电阻调速是起重机械中最常见的调速方法。

　　绕线式电机主电路如左图所示：通过滑环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控制转速。该方案存在下述问题：

　　1．设备故障率高

　　因工矿企业工作环境差，风尘、腐蚀性气体等极易对电机滑环、碳刷及接触器造成不良影响，加之电机启动频繁，电流及机械冲击大，因此月平均故障率可高达数次；

　　2．控制线路复杂

　　电机调速级数越多，需要接入的接触器就越多，这使得控制线路十分复杂，故障查除困难；

　　3．热功率损耗大

　　转子回路串入电阻后，电机损耗功率以热能形式释放，能量不能回收，电阻需定时更换。

　　4. 能耗分析

　　线绕式异步电动机的转子回路串入电阻后，其机械特性如下图所示。

　　因转差变大，机械特性变“软”，在负载转矩TL不变的情况下，拖动系统的工作点由A点移到B点，转速由n1降为n2。其定子电磁输入功率分配情况如下：

　　1. 电磁输入功率为：

Pin = TL·n0

　　2. 电机输出功率为（曲线②）：

Pout = TL·n2

　　3. 电机损失功率为（曲线②）：

△P = TL·( n0- n2 )

　　如上图所示，①、②号曲线分别为线绕式电机转子回路串入电阻前、后的机械特性曲线。图中阴影部分表明电机在串入调速电阻后，其功率损失增大许多，且机械特性偏“软”，电机驱动能力明显下降。

提升机变频调速方案

　　近年来，随着变频技术的日益成熟，以及变频器价格的不断降低，变频调速技术得到了越来越广泛的应用，加之国家对节电节能技术的积极推广，起重机械的变频改造已成为趋势。

　　深圳市英威腾电气有限公司作为国内主要变频器专业制造商，始终致力于变频器的市场推广与行业应用。2004年推出的CHV系列高性能矢量变频器，已广泛应用于注塑机械、提升机械、拉丝机械、纺织机械、数控机床等要求较高的场合。下文将以CHV矢量变频器为核心，详细阐述提升机械变频调速方案。

　　● 工艺要求及变频控制要点

　　1．调速范围

　　大型吊车多采用有级调速，速度档位选择常采用凸轮控制器，调速比一般小于10；CHV高性能矢量变频器具有16段速设定功能，在闭环矢量控制模式下，其调速范围高达1：1000，可轻松满足需求；

　　2．制动定位

　　大车、小车及起升机构都要求有定位功能，较重负载制动定位时，拖动电机常处于再生制动状态；变频调速时，需加装制动电阻，采用电制动与机械制动相结合的制动方式，以确保准确停车；

　　3．吊钩启动

　　吊钩从地面拖动重物启动时，为避免机械冲击，启动档的速度不能过快；CHV变频器具有丰富的加减速预设曲线，吊钩启动可选择“S”型加速曲线，保证加速过程平稳顺畅；

　　4．溜钩处理

　　吊钩拖动重物起停时，电动机与抱闸装置配合不当，容易造成重物滑落，即所谓“溜钩”问题； CHV变频器在闭环矢量控制模式下，0Hz运行时最大可输出180%的额定转矩，能很好解决吊车溜钩问题。





　　● 节能分析

　　上图为异步电动机主回路串接变频器后的机械特性图。

　　图中曲线①为电机调速前的机械特性，曲线③为电机变频调速后的机械特性。对比可知，变频器调速的一个显著优点就是在调速的同时能够调整供电电压，使电机的机械硬性基本保持不变。相比绕线式异步电机的转差调速，在负载转矩TL不变的情况下，变频调速具有较好的节能效果。其电磁输入功率分配情况如下：

　　1．电磁输入功率为：

Pin’ = TL·n0’

　　2．电机输出功率为（曲线③）：

Pout = TL·n2

　　3．电机损失功率为（曲线③）：

△P = TL·( n0’ - n2 )

　　● 变频器电控方案

　　深圳市英威腾电气有限公司成功改造的桥式抓斗吊车电机参数及需选配变频器清单如下：

机组
机型
数量
选配变频器
数量
备注

大车电机
7.5KW
2
CHV100-7R5-4
2
配制动电阻、防尘外壳

小车电机
3.5KW
1
CHV100-004-4
1
配制动电阻；配防尘外壳

提升电机
37KW
1
CHV100-037-4
1
有PG矢量控制，配置PG卡、制动单元、制动电阻、防尘外壳

抓斗电机
37KW
1
CHV100-037-4
1
配置制动单元、制动电阻、防尘外壳


电控方案说明：

　　1、提升电机的变频器需选配PG卡，采用有PG矢量控制；其余变频器均采用无PG矢量控制；

　　2、原绕线式电机可不必更换，但需把 电机转子上的电刷举起，且转子的出线头要短接，如左图所示：

　　3、所有变频器均需选配制动电阻或制动单元（15KW以上变频器制动单元外置）；

　　4、因应用现场吊车是在粉尘较大的水泥生产车间使用，因此所有变频器均需选配专用防粉防尘外壳；

　　以提升电机为例，其主电路示意图如下：

　　用变频器运行信号控制电磁抱闸；变频器在有PG矢量控制模式下，0Hz运行时可输出180%额定转矩，转矩响应时间在20ms以内，完全可满足吊车的应用要求，有效避免溜钩问题及起停抖动问题；

　　当然，对于一些高档提升机械，还会应用到PLC来进行对提升机构、行走机构、横动机构进行集中控制，实现多种功能，控制简易示图如下：

　　变频器的外围接线配置图如下：

　　总结

　　深圳市英威腾电气有限公司自主研发生产的CHV系列高性能矢量型变频器成功应用于桥式吊车领域，有效满足吊车的控制工艺要求，并得到客户的一致认同。英威腾公司提出的吊车变频控制方案，推动了吊车电气控制技术的发展，完全满足吊车的软启动、软停车、无冲击、平滑调速功能，有效降低系统的能耗及机械的维护成本，延长机械的使用寿命。