變頻調(diào)速技術(shù)原理及在塔式起重機中的應用

1、變頻調(diào)速技術(shù)原理及其在塔式起重機中的應用1.塔式起重機常見調(diào)速方式2.變頻調(diào)速原理3.變頻器的基礎(chǔ)知識4.變頻調(diào)速在塔機應用中需要注意的問題5.基于通訊的塔機變頻調(diào)速系統(tǒng)1.塔式起重機常見調(diào)速方式(1通過選擇多極電機進行調(diào)速如QTZ40塔機起升機構(gòu)常用4/8/24或4/8/32極電機,對應的起升機構(gòu)會有對應的3種運行速度。多極電機由于受空間位置的制約,所以磁極數(shù)量不可能太多,磁極數(shù)量的增多會帶來電機效率的降低和成本的上升,一般來講,4/8/32極電機會比4/8/24電機貴一些。(2通過增大能量損耗來獲取調(diào)速性能如QTZ63以上型號塔機的起升機構(gòu)一般選取繞線轉(zhuǎn)子異步電動機,通過向電機轉(zhuǎn)子回路串入

2、不同的電阻,從而增加能耗來進行調(diào)速。因為電機輸入能量一定的前提下,串入電阻越大,發(fā)熱越多,用來拖動負載轉(zhuǎn)動的能量越少,電機輸出轉(zhuǎn)速就越低。(3變頻調(diào)速通過改變進入電機的電流頻率進行調(diào)速。2.變頻調(diào)速原理2.1異步電動機的旋轉(zhuǎn)原理異步電動機主要由三部分組成:1.磁路部分;2.電路部分;3.機械部分。磁路部分主要由定子和轉(zhuǎn)子鐵心構(gòu)成,電路部分主要由定子和轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)成,機械部分主要有機座、軸承等構(gòu)成。電動機通電后,其定子會產(chǎn)生一個合成磁場,合成磁場會根據(jù)定子部件鐵心的分布以及通入電流的頻率進行旋轉(zhuǎn)。這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度通常稱同步轉(zhuǎn)速,同步轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定:n=60f/po式中:f電流的頻率;p旋轉(zhuǎn)磁場的

3、磁極對數(shù)。電磁轉(zhuǎn)矩的方向由于合成磁場的旋轉(zhuǎn),從而使電機轉(zhuǎn)子的繞組被動切割磁力線產(chǎn)生感應電流,又因磁場會對載流導體產(chǎn)生電磁力,所以在電磁力的作用下,轉(zhuǎn)子會“隨著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nm 低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n o ,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n m 我們稱之謂“異步”轉(zhuǎn)速。2.2異步電動機的調(diào)速由n=60f/p分析可知,異步電動機的轉(zhuǎn)速n0與電流頻率f成正比,與電機磁極對數(shù)成反比,所以改變同步轉(zhuǎn)速的方法有2種。2.2.1改變磁極對數(shù)p定子磁場的磁極對數(shù)取決于定子繞組的結(jié)構(gòu)布置。一般來講,電機上標注的xx極,比如4/8/32極,是指定子的磁極數(shù),該數(shù)值除2即為磁極對數(shù),假設(shè)電流頻率f=50HZ,則4/8/

4、32極電機有3個轉(zhuǎn)速:=60×50÷2=1500r/min;4 極p=2 n8 極p=4 n=60×50÷4=750r/min;=60×50÷16=187.5r/min32 極p=16 n則對應電機輸出轉(zhuǎn)速n(異步轉(zhuǎn)速略小于同步轉(zhuǎn)速,比如4極電機輸出轉(zhuǎn)速一般是1440r/min。2.2.2改變接入電流頻率f一般只要選定一款電機則其定子磁場的磁極對數(shù)是一個常數(shù)p,只要改變接入電流頻率f即可達到調(diào)速的目的。這就是我們常說的變頻調(diào)速。那么如何才能改變電流的頻率呢?3.變頻器的基礎(chǔ)知識3.1變頻器的類別變頻器的分類方式很多,可以按“變頻環(huán)節(jié)分

5、”,也可以按“電壓的調(diào)制方式分”,也可以按“直流環(huán)節(jié)的儲能方式分”。在此我們重點講述變換環(huán)節(jié)為“交-直-交”。電壓調(diào)制方式為pwm(脈寬調(diào)制。直流環(huán)節(jié)的儲能元件是電容器的變頻器。3.2交-直-交變頻器的主電路交-直-交變頻器的主電路如下圖:交直變換能耗電路直交變換3.2.1交-直部分整流管VD1-VD6組成一個三相整流橋,三相電經(jīng)全波整流輸出直流電,其平均電壓是UD=1.35UL=1.35*380=530V。濾波電容cf的主要作用是:一方面濾平全波整流后的電壓紋波;另一方面是當負載變化時,使直流電壓保持平穩(wěn)。由于受到電解電容的電容量和耐壓能力的限制,濾波電路通常由若干個電容器并聯(lián)成一組,又有兩

6、個電容組串聯(lián)而成,如上圖中的cf1和cf2,又因為電解電容器的電容量有較大的離散性,所以cf1和cf2的電容量常不完全相等,導致分配在其上的電壓不相等。為了使其分配電壓相等,在cf1和cf2 旁各并聯(lián)一個阻值交直變換能耗電路直交變換RL我們稱之為限流電阻。當變頻器接通電源的瞬間,濾波電容器CF的充電電流很大,過大電流有可能擊穿三相整流橋的二極管,所以變頻器剛接通電源后的一段時間里,令電路內(nèi)串入電阻RL以起到限流的作用,而當電容Cf充電到一定程度后,另SL接通,這樣RL將被短路掉,不再起作用。電源指示燈HL有2個作用,一方面表示電源是否接通,另一方面表示在變頻器切斷電源后,CF電容器上的電荷是否

7、已經(jīng)釋放完畢。交直變換能耗電路直交變換3.2.2直-交部分逆變管v1-v6組成逆變橋,所謂“逆變”就是將直流電變成交流電。逆變后的交流電三相之間相位互差2/3。電壓振幅與直流電相等,都是513v。逆變后的電流頻率跟隨控制信號的變化周期變化。所以控制改變逆變管控制信號的頻率就會得到相應的電流頻率從而實現(xiàn)變頻調(diào)速。交直變換能耗電路直交變換VD7VD12是續(xù)流二極管,其主要功能有:電動機的繞組是電感性的,其電流具有無功分量,通過VD7VD12提供返回直流電源時的“通道”。當電動機處于再生制動狀態(tài)時,為再生電流提供返回“通道”。V1-V6進行逆變工作時,同一橋臂的兩個逆變管不停交替導通和截止。在導通截

8、止的換相過程中,也需要VD7-VD12提供電流“通道”。交直變換能耗電路直交變換3.2.3能耗電路能耗電路由2部分構(gòu)成,1.制動電阻RB,2.制動單元VB。制動電阻RB一般功率較大,接觸過變頻系統(tǒng)的人都知道RB一般是外接的,其主要作用就是當電動機處于再生制動狀態(tài)時,再生電流會導致UD不斷上升,超過一定程度就會損壞變頻器。所以必須將再生到直流電路的能量消耗掉,以使UD保持在許可范圍內(nèi)。交直變換能耗電路直交變換制動單元VB相當于一個由程序控制的電子開關(guān),其功能是當再生電流產(chǎn)生時接通回路。以變再生電流流經(jīng)制動電阻RB。可見,只要按照一定的規(guī)律來控制六個逆變管的導通和截止,就可以把直流電逆變成三相交流

9、電。逆變后的電流頻率,可以在上述導通規(guī)律不變的前提下,通過改變控制信號的變化周期來改變。4.變頻調(diào)速在塔機應用中需要注意的問題回避頻率塔機在運行時會產(chǎn)生機械振動,其振動頻率和機構(gòu)運行速度有關(guān)。有可能出現(xiàn)在某一轉(zhuǎn)速或某幾個轉(zhuǎn)速下,出現(xiàn)機械振動頻率和其固有頻率發(fā)生諧振的情形,導致塔機不能正常運行,甚至損壞。所以為了避免機械諧振的發(fā)生,必須使拖動系統(tǒng)“回避”可能引起諧振的轉(zhuǎn)速,對應的工作頻率就是回避頻率。起升機構(gòu)上升時溜鉤問題起升機構(gòu)負載上升起動時,若處理不當會引起溜鉤現(xiàn)象,特別是空中制動后再次提升時更容易發(fā)生溜鉤現(xiàn)象。為避免溜鉤現(xiàn)象的產(chǎn)生一般從兩個方面著手。一是適當加大起動工作頻率。就是說當控制信

10、號X 低于給定信號Xs 時,變頻器的工作頻率為0,電動機未工作時,其轉(zhuǎn)矩足以提升載荷;另一方面當X 達到Xs 時,延時一段時間比如0.6秒后再打開制動抱閘,這樣可有效避免溜鉤問題。···································

11、···········第五屆山東富友塔機設(shè)計生產(chǎn)與使用管理技術(shù)交流會變頻器突然停電處理變頻器突然斷電時往往會迅速燒壞其逆變電路,同時引起動機過電流,所以突然斷電時,或者按下急停按鈕時,必須控制電路立即停止向變頻器輸出信號,使變頻器先停止工作。變頻器散熱變頻器工作時會發(fā)熱,導致變頻器內(nèi)部溫度升高而損壞,所以安裝變頻器的空間要保證良好的通風散熱。············&

12、#183;·································第五屆山東富友塔機設(shè)計生產(chǎn)與使用管理技術(shù)交流會············&#

13、183;·········· ······················· 5.基于通訊的塔機變頻調(diào)速系統(tǒng) 5.1常規(guī)變頻系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 常規(guī)變頻系統(tǒng)，一般包括變頻器、制動電阻、PLC可編程控制器、 PLC信號輸入擴展模塊、PLC信號輸出擴展模塊、聯(lián)動臺、限位器

14、等。 其工作原理是：限位器各開關(guān)，聯(lián)動臺各檔位開關(guān)等接入PLC可 編程控制器及其輸入擴展模塊，然后對PLC進行編程，利用PLC可編程 控制器及其輸出擴展模塊驅(qū)動多個中間繼電器，將中間繼電器的對應 第五屆山東富友塔機設(shè)計 生產(chǎn)與使用管理技術(shù)交流會 觸點接入相應變頻器的控制端子，并根據(jù)接入情況對變頻器進行設(shè)置， 這樣就可以正?？刂谱冾l機構(gòu)的運行。 常規(guī)變頻系統(tǒng)由于器件眾多，要求組裝人員的專業(yè)水準較高，特 別是當系統(tǒng)的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，排查問題難度更大，器件的眾多 也無疑會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。 下一頁 ········

15、··············· ······················· 限位器、聯(lián)動臺等信號接入 PLC PLC 輸入擴展模塊 PLC 輸出擴展模塊 中間繼電器邏輯輸出 起升變頻器 回轉(zhuǎn)變頻器 變幅變頻器 制動電

16、阻 制動電阻 制動電阻 第五屆山東富友塔機設(shè)計 生產(chǎn)與使用管理技術(shù)交流會 常規(guī)變頻控制系統(tǒng)示意圖 針對這一問題，山東富友公司目前正在研究開發(fā)基于通信的變頻 系統(tǒng)，一般變頻器都內(nèi)置對外的通信端口，可以利用單片機系統(tǒng)根據(jù) 變頻器生產(chǎn)商提供的通訊協(xié)議（即通信規(guī)劃）進行編程控制。 下一頁 ······················· ···&#

17、183;··················· 5.2基于通訊的變頻系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理 其工作原理是：聯(lián)動臺的操縱手柄分別帶動起升、回轉(zhuǎn)、變幅3 第五屆山東富友塔機設(shè)計 生產(chǎn)與使用管理技術(shù)交流會 個光電旋轉(zhuǎn)編碼器，操縱手柄處于不同的位置時編碼器會將手柄的位 置編碼傳遞給單片機，同時高度、幅度、回轉(zhuǎn)等限位器亦利用光電旋 轉(zhuǎn)編碼器組成，它們亦會將適時信號傳送給單片機，通過單片機運算 后發(fā)送控制指令給變頻器，同

18、時單片機會定時讀取變頻器的反饋信息， 包含工作信息和故障信息，將這些信息顯示在顯示屏上，而且變頻器 都提供轉(zhuǎn)矩值，由此可測出起升載荷的重量，這樣在完成通信變頻的 同時又實現(xiàn)了黑匣子的功能。整個系統(tǒng)完全處于弱電工作之下，可靠 性大大提升，性能大大提高。變頻器自身提供過流、過壓、及斷錯相 保護，利用單片機可以充分挖掘變頻器的集成功能，成本大幅降低， 系統(tǒng)調(diào)試（含限位器調(diào)試）只需一人，一刻鐘，在駕駛室內(nèi)調(diào)試完成。 下一頁 ······················· ····