【正文】 式起重機(jī)控制系統(tǒng)存在的爭(zhēng)奪問(wèn)題，變頻調(diào)速以其可靠性好、高品質(zhì)的調(diào)速性能、節(jié)能效益顯著的特性在起重機(jī)運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)中具有廣泛的發(fā)展前景。相對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)的相關(guān)技術(shù)水平差距較大，主要技術(shù)難度體現(xiàn)在：起重機(jī)對(duì)電控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性要求越來(lái)越高，起重機(jī)的起重量及運(yùn)行速度等技術(shù)參數(shù)越來(lái)越大，起重機(jī)的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，起重機(jī)對(duì)管理和通訊的性能要求越來(lái)越嚴(yán)格。由變頻器構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)可取代直流調(diào)速系統(tǒng)，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是大規(guī)模集成電路制造技術(shù)不斷發(fā)展的必然結(jié)果，符合起重機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，適合發(fā)展大起重量得起重機(jī)；提高工作速度、擴(kuò)大調(diào)速范圍；提高金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)和電氣設(shè)備的可 靠性和使用壽命；改善司機(jī)操作條件，保證作業(yè)安全，提高自動(dòng)化控制程度和擴(kuò)大遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)的使用范圍。大車運(yùn)行速度為 75m/min，小車運(yùn)行速度為 45m/min。 由上式（ ）可知，如果改變輸入電動(dòng)機(jī)的電源頻率 f，則可相應(yīng)改變電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。磁通太弱，沒(méi)有充分利用電動(dòng)機(jī)的鐵心，是一種浪費(fèi)；若要增大磁通，又會(huì)使磁 通飽和，從而導(dǎo)致過(guò)大的勵(lì)磁電流，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因?yàn)槔@組過(guò)熱而損壞電動(dòng)機(jī)。在交流異步電動(dòng)機(jī)中，磁通是定子和轉(zhuǎn)子合成產(chǎn)生的。有上式（ ）可知，要保持 m? 不變，當(dāng)頻率 1f 從額定值 1Nf 向下調(diào)節(jié)時(shí)，必須同時(shí)降低1E，使1E/1f =常數(shù)，即采用電動(dòng)勢(shì)與頻率之比恒定的控制方式。 （ ） 這是恒頻率比的控制方式。 圖 21 基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性 這和他勵(lì)直流變壓調(diào)速的特性相似，所不同的是，當(dāng)轉(zhuǎn)矩增大到最大值以后，特性曲線就折回來(lái)了。根據(jù)電機(jī)與拖動(dòng)原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。這時(shí)，可以人為的把電壓 1V 抬高一些，以便近似的補(bǔ)償定子壓降。 如圖 22所示： 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 22 恒壓頻比控制特性 基頻以上調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從 1Nf 往上增高，但電壓 1V 不能超過(guò)額定電壓N1V ，最多只能保持 1V = N1V 。 在基頻 1Nf 以上變頻調(diào)速時(shí)，由于電壓 1V = N1V 不變，我們不難證明當(dāng)頻率提高時(shí)，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩減小，機(jī)械特性上移，如圖 23 所示。由于轉(zhuǎn)速升高了，可認(rèn)為輸出功率基本不變。 把基頻以下和基頻以上兩種情況結(jié)合起來(lái)，可得圖 14所示的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 速控制特性。如果電源含有諧波，將使機(jī)械特性受到扭曲變形，并增加電機(jī)只能中的損耗。 變頻器簡(jiǎn)介 變頻器的主電路 這里 主要介紹電壓源型交 直 交變頻器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖 25所示。從晶閘管發(fā)展到 PID, PIC 通過(guò)門(mén)極或柵極控制脈沖可實(shí)現(xiàn)器件導(dǎo)通與關(guān)斷的全控器件。在器件結(jié)構(gòu)上，從分立器件發(fā)展到由分立器件組合成功率變換電路的初級(jí)模塊，繼而將功率變換電路與觸發(fā)控制電路、緩沖電路、檢測(cè)電路等組合在一起的復(fù)雜模塊。它的主要作用是對(duì)工頻的外部電源進(jìn)行整流，并給逆變電路和控制電路提供所需要的直流電源。 （ 3）逆變電路 逆變 電路是利用六個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件組成的三相橋式逆變電路，有規(guī)律的控制逆變器中的主開(kāi)關(guān)元器件的通與斷，得到任意頻率的三相交流電輸出。逆變電路的輸出就是變頻器的輸出，它被用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器的優(yōu)劣。 現(xiàn)代通用變頻器都是數(shù)字式控制的，微處理器（ CPU）是控制電路的核心器件，它通過(guò)輸入接口和通信接口取得外部控制信號(hào)，通過(guò)檢測(cè)電路取得輸出電壓、上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 電流、溫度等運(yùn)行參數(shù)，根據(jù)設(shè)置的運(yùn)行方式，進(jìn)行 U/f 控制或者矢量控制，將控制命令傳送給 SPWM（以逼近正弦波形為特征的交流脈寬調(diào)制也稱正弦脈寬調(diào)制）控制集成電路，去觸發(fā)逆變器。 變頻器的控制接口（包括模擬量輸入輸出接口和開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口）用于變頻 器與外部交換信息。 變頻器的通信接口提供以通信方式與外部其他設(shè)備交換信息的功能，它的作用與控制接口類似，但允許數(shù)量更多的信息交換。 現(xiàn)在變頻調(diào)速的控制方法 交流電機(jī)的控制遠(yuǎn)比直流電機(jī)復(fù)雜的多。 目前實(shí)用的交流調(diào)速系統(tǒng)的控制方法有以下幾種： （ 1）恒壓頻比控制（ V/F 控制） V/F 控制是交流電機(jī)最簡(jiǎn)單的一種控制方法，通過(guò)控制過(guò)程中始終保持 V/F為常數(shù)，保證轉(zhuǎn)子磁通的恒定。 （ 2）轉(zhuǎn)差頻率控制 轉(zhuǎn)差頻率控制引入可速度閉環(huán)，使轉(zhuǎn)速變化頻率與實(shí)際轉(zhuǎn)速同步上升 或降落，與 V/F 控制相比，更容易使系統(tǒng)穩(wěn)定。 （ 3）矢量控制 矢量控制通過(guò)坐標(biāo)變換將交流異步電機(jī)模型等效為直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 轉(zhuǎn)矩和電機(jī)磁通量的解耦，達(dá)到對(duì)瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的控制。目前，實(shí)用中較多采用后者，又稱為轉(zhuǎn)差率矢量控制，由于其沒(méi)有實(shí)現(xiàn)直接磁通的閉環(huán)控制，無(wú)需檢測(cè)出磁通，因而容易實(shí)現(xiàn)。 橋式起重機(jī)中應(yīng)用的變頻器的型號(hào)見(jiàn) 章節(jié)。其中手柄、轉(zhuǎn)軸、凸輪、杠桿、彈簧、定位棘輪為機(jī)械結(jié)構(gòu)。而上下蓋板、外罩及滅弧罩等為防護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸在手柄扳動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定在軸上的凸輪同軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)凸輪的凸起部位支住帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)杠桿上 的滾子時(shí)，便將動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)分開(kāi) ； 當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到凸輪凹處與滾子相對(duì)時(shí)，動(dòng)觸點(diǎn)在彈簧作用下，使動(dòng) 靜觸點(diǎn)緊密接觸，從而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)的目的。 圖 27為 KT型凸輪控制器原理圖 控制電路分析 由圖 27可知，凸輪控制器 SA在零位時(shí)有 9對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)， 3對(duì)常閉觸點(diǎn)。另 5對(duì)主觸點(diǎn)用于接入與切除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子不對(duì)稱電阻。 控制電路設(shè)有過(guò)電流繼電器 KAIKA3實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)過(guò)電流保護(hù)，緊急事故開(kāi)關(guān) QS3實(shí)現(xiàn)事故保護(hù)，操縱室頂端艙口開(kāi)關(guān) SQ4實(shí)現(xiàn)大車頂上無(wú)人且艙口關(guān)好才可開(kāi)車的安全保護(hù)等。目前應(yīng)用較多的是 KT KT12 及KT14 型，額定電流有 25A 和 60A 兩種。凸輪控制器有電動(dòng)機(jī)工作電源供給部分、電阻器切換部分和安全保護(hù)部分。 輪控制器按重復(fù)短時(shí)工 作制設(shè)計(jì)，其通電持續(xù)率為 25%。凸輪控制器技術(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。 ? 改變電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向。 ? 切換電阻器的電阻值調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 主令控制器 簡(jiǎn)介 主令控制器是 按照預(yù) 定程序 用以頻繁切換復(fù)雜的多回路控制電路的主令電器。 主令控制器的結(jié)構(gòu)與工作原理基本上與凸輪控制器相同，也是利用凸輪來(lái)控制觸點(diǎn)的斷合。 橋式起重機(jī)中常用的主令控制器有 LK1 LK18 系列。圖 24 所示為 LK18 系列 主令控制器的 外形圖。 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 3 橋式起重機(jī)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)和部件選用 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)由繼電器控制改為 PLC 控制，各機(jī)構(gòu)調(diào)速均采用變頻調(diào)速。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 起升機(jī)構(gòu) 起升機(jī)構(gòu)屬位能負(fù)載機(jī)構(gòu)。而且對(duì)轉(zhuǎn)矩控制要求嚴(yán)格。變頻器的選擇，應(yīng)以選 擇變頻器的額定電流為基準(zhǔn)，一般以電動(dòng)機(jī)的額定電流，負(fù)載率。通過(guò)計(jì)算，變頻器的額定電流為電動(dòng)機(jī)額定電流的 倍以上。變頻器的選擇，一般以電動(dòng)機(jī)的額定功率作為選擇的依據(jù)。 運(yùn)行機(jī)構(gòu)的起動(dòng)時(shí)間應(yīng)盡量符合實(shí)際需要，起動(dòng)迅速而平穩(wěn) 。對(duì)不同的工況，可選擇自由制動(dòng)方式與強(qiáng)制制動(dòng)方式。為保證起升機(jī)構(gòu)起動(dòng)時(shí)具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以通過(guò)設(shè)定機(jī)械制動(dòng)器的打開(kāi)時(shí)間、變頻器的最低運(yùn)行頻率、運(yùn)行電流之間的關(guān)系，以滿足機(jī)構(gòu)負(fù)載特性的要求。主要反映在功率因數(shù)、效率、輸出力矩、電機(jī)溫升、噪音及振動(dòng)等方面。同時(shí)由于變頻控制軟件的優(yōu)化使用，使電動(dòng)機(jī)可以避開(kāi)共振點(diǎn)，解決了系統(tǒng)在大調(diào)速區(qū)間內(nèi)可能發(fā)生的共振問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)推出的變頻專用電動(dòng)機(jī)由普通電機(jī)加獨(dú)立風(fēng)扇組成，以解決電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中自冷風(fēng)扇風(fēng)量不足而引起的電動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題。嚴(yán)格意義上的變頻電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，響應(yīng)較快，可工作在比額定轉(zhuǎn)速高出很多的工況條件下，這些特性均非起重機(jī)的特定要求。在連續(xù)工作時(shí)考慮到冷卻效果限制了普通電機(jī)轉(zhuǎn)矩應(yīng)用值，普通電機(jī)僅在連續(xù)工作時(shí)的變頻驅(qū)動(dòng)特性比變頻電機(jī)稍差。此外，起重機(jī)電機(jī)多用于大慣量短時(shí)工作制，通常不工作時(shí)間大于或略小于工作時(shí)間。但若電機(jī)要求在整個(gè)工作周期內(nèi)在大于 1:4 的速比下持續(xù)運(yùn)行則必須采用他冷式電機(jī)。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載校驗(yàn) 按電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩允許的過(guò)載系數(shù) ?M? ，對(duì)繞線式轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)， H= 所以， KWKWvGm HP qQMN 00 110 00 ???????? ?? 根據(jù)規(guī)定 , %25?JC ， CZ=150,此時(shí) ?NP ，即 所以電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)通過(guò)。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)的過(guò)載校驗(yàn) KWKWvGm HP qQMN ?? ?????? ?? 根據(jù)規(guī)定 , %25?JC ， CZ=150,此時(shí) ?NP ，即 所以電動(dòng)機(jī)校驗(yàn)通過(guò)。 小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)： （ 1） 運(yùn)行靜阻力，小車運(yùn)行部分總質(zhì)量： ? ? ? ? NNgGQG G ???????? 因?yàn)槭覂?nèi)運(yùn)行，風(fēng)阻力 01??G ，坡度阻力 0??G ，運(yùn)行摩擦阻力系數(shù)?= 則 NNGGG GZ 1 9 8 0 61 ????? ? ? (2)運(yùn)行靜功率： ?yv 45m/min=小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)總效率 ?? KWKWvGP yz 00 1810 001 ?? ??? ? (3)運(yùn)行加速功率 取 stsm s 5,/ 2 ??? KWKWgt vGPsyG 00 98 22 ??? ???? ?? （ 4）初選電動(dòng)機(jī) ? ? ? ? KWKWPPmP MN 11 1 ??????? ?? 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 根據(jù)電動(dòng)機(jī)樣本，選用兩臺(tái) YZR132M26電動(dòng)機(jī)，當(dāng) %25?JC ， ?NP 4KW (5)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn) 根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，該小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的接電持續(xù)率 %25?JC ， CZ=300，穩(wěn)態(tài)負(fù)載平均系數(shù) G=，所以， KWKWvGGP yz ?? ???? ? 根據(jù)《橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》知，當(dāng) %25?JC ， CZ=300 時(shí)， ?NP ， 即 ,所以電動(dòng)機(jī)發(fā)熱校驗(yàn)通過(guò)。其中本系統(tǒng)選用三菱變頻器，三菱變頻器具有較合理的價(jià)格，完整的理論計(jì)算書(shū)及輔件推薦值，有利于用戶合理選用。該系列變頻器是最常用也是功能較強(qiáng)的一種變頻器，主要應(yīng)用于各種工業(yè)、冶金、建筑、水利、紡織、交通等領(lǐng)域，性能良好，價(jià)格實(shí)惠，是一種性價(jià)比高的變頻器。 變頻器選擇及電流驗(yàn)證 （ 1）起升機(jī)構(gòu) 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 起升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)距一般來(lái)說(shuō)可為額定力矩值的 倍。等額變頻器僅能提供小于 150%超載力矩值，為此可通過(guò)提高變頻器容量 (Yz 型電機(jī) )或同時(shí)提高變頻器和電機(jī)容量(Y型電機(jī) )來(lái)獲得 200%力矩值。若用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一擋的方法選擇變頻器的容量，則可能會(huì)造成不必要的放容損失。 I1nv≥（ ～ ） In 或（ ～ ） Imax 式中 I1nv變頻 器額定輸出電流（ A）； In電動(dòng)機(jī)的額定電流（ A）； 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 Imax電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流（ A）。而且要求盡可能地快速起動(dòng)、制動(dòng)。根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過(guò)與同類變頻器的性能與價(jià)格及售后服務(wù)等方面的綜合考慮，變頻器選用三菱公司矢量控制變頻器。 斷路器 為避開(kāi)變頻器投入時(shí)直流回路電容器的充電電流峰值，為此變頻器配置的斷路器容量應(yīng)為電動(dòng)機(jī)額定電流的 — ，整定值為斷路器額定值的 3— 4倍。 交流電抗器 當(dāng)變頻器直接連接于一個(gè)大容量的電源變壓器 (600kVA 以上或離電源變壓器很近安裝 )時(shí)，或電網(wǎng)回路中接有移相電容器，可能會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生過(guò)峰值電容，致使變頻器損壞。 上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 交流電抗器容量按電機(jī)容量配置，可參見(jiàn)變頻器生產(chǎn) 廠推薦的配置表或按下列公式計(jì)算 : L=TfI2 U%5%2 ）（ 式中 : L—— 電抗器容量（ H）； U—— 額定電壓（ V）； I—— 電機(jī)額定電流（ A）（電抗電流值為電機(jī)額定電流的 — ）； F—— 最大周波數(shù)（ Hz）。在變頻器與變壓器單臺(tái)獨(dú)配的系統(tǒng)中無(wú)須配置電抗器。常在其直流電路中加接 — 檢測(cè)直流電壓的晶體管。在能量消耗的同時(shí)加速了轉(zhuǎn)速的減小，該能量消耗得愈多，制動(dòng)時(shí)間愈小，此裝置即為變頻器的制動(dòng)單元。 m）； MT —— 電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩 (在附加電阻制動(dòng)的情況下，電機(jī)自損耗約為電機(jī)額定功率的 20%左右 )（ N 在制動(dòng)晶體管和制動(dòng)電阻構(gòu)成的能耗回路中最大電流受晶體管許用電流 CI上海第二工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 的限制，因此在選擇制動(dòng)電阻值時(shí)不可小于其最小制動(dòng)電阻值 minR ，即 minR = CU /CI （ ? ） 式中： CU —— 直流回路電壓（ v）； CI —— 制動(dòng)晶體管允許的最大電流（ A）。 （ 2）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 BT 的計(jì)算 BT =b2T2Mt375 2n1nG