变频起重机的特点及应用
变频起重机的特点及应用
1．系统特点
起重机的变频调速系统由变频器和PLC及外围电气器件（如电源进线开关、线路接触器、辅助开关、辅助继电器）组成。由PLC根据系统设定和检测参数控制起重机的启动、制动、停止、可逆运转及调速运行，可使起重机实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除启动和制动时的冲击，减少电气维护工作量，降低电能消耗，提高了功率因数，系统还可以实现过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等。采用由变频器和PLC构成的起重机变频调速系统具有如下显着特点
(1)调速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业。
(2)实现了电动机软启动、软停止，降低了电动机启动对机械传动系统的冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命。
(3)高集成度组件及高可靠性控制设备可有效降低系统的故障率，而且易维护。
(4)电动机在零速时，能全力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠。
(5)具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能。
(6)采用的专用负荷重量测控仪并配以相应软件，起升速度可随负荷重量变化自动切换，实现“轻载快速，重载慢速”的作业要求。
(7)变频调速控制系统具有自动节能操作模式，能提高系统的功率因数和整机工作效率。
(8)变频调速控制系统采用全中文触摸屏监控系统，通过人机界面进行系统故障自检和处理功能，方便技术人员和操作人员的维护与现场监控，并大幅度减少维修时间及费用。
(9)变频调速控制系统设有防误操作单元，可完全杜绝操作人员违章操作。
(10)变频调速控制系统具有多重接口，能方便实现信息网络控制和监测。
2．起重专用变频器
起重机的动力传动具有大惯性、四象限运行的特点，与其他传动机械相比，对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。近10年来，电力电子技术飞速发展，特别是直接转矩控制技术日益成熟（它可以最大限度地消除谐波干扰隐患），变频器才得以在起重、运输机械上使用。这类变频器大都具备如下主要功能。
(1)转矩到位信号或转矩记忆功能
为了保证起重机提升机构的安全运行，在启动提升机构时，必须保证变频器在输出转矩达到负载转矩或大于负载转矩时才能打开制动抱闸。提升机构制动时，速度虽然已很低，变频器应能输出负载转矩，所以变频器必须具有转矩到位信号或转矩记忆功能（如ABB公司的ACC600变频器所具有的转矩记忆功能），这样才能有效避免起重机提升机构失控和溜钩。
(2)软化电动机特性曲线功能
多台电动机驱动同一钢性机构运行时，往往因电动机的特性差异而造成驱动同一钢性机构运行时失衡，从而导致起重机的提升机单机过载或运行机构走偏，所以在采用绕线转子电动机驱动时，可采用转子串电阻来解决失衡问题。变频驱动系统是利用电动机软化功能来实现这一功能的，可以消除不必要的能量损耗。
(3)具有S加／减速特性
由于被驱动的机械设备存在机械间隙，故将引起传动机构启动时产生机械冲击和振动，变频器的S特性能使电动机平滑启动，可以大大减小机械设备启动时的机械冲击，增加机械设备的安全性和使用寿命。
3．变频器对起重机上其他电气设备的影响
变频器的整流电路和逆变电路主要使用的是半导体开关器件，在输入／输出电压和电流中，除了基波成分外，还含有一定的高次谐波成分。这些高次谐波将给起重机上的其他电气设备带来不同程度的影响，严重时会使这些电气设备不能正常工作，甚至误动作，这样会降低起重机整机的可靠性，危及设备和人身安全。
变频器产生的高次谐波对起重机上其他电气设备的影响
(1)引起电网电源波形畸变。变频器的输入电路是交一直流电源转换的整流电路，由于整流电路的直流电压是在被平波电容滤波之后，再输出给后续电路，所以电源供给变频器的电流实际上是平波电容的充电电流。由于存在内部阻抗，当变频器供电的电源容量越大时，变频器输入电流的波形就越陡峭，而输入电压的波形畸变就越小；电源容量越小，电流波形越平缓，电压波形畸变就越大。由于电源电流和电压的波形畸变将对起重机主电动机、副电动机、接触器、继电器及直流电源等设备产生过热、噪声和振动，故将影响上述电气设备的使用寿命和工作的可靠性。
(2)产生无线电干扰电波（无线电波噪声）。由于变频器采用PWM控制方式，逆变后，变频器的输出电流波形接近正弦波，可使电动机平滑运行并减小由于电动机转速变化和电流波动所引起的能量损失。
采用PWM控制方式逆变电路中的半导体开关器件是工作在相当高频率（大于4MHz）的开（导通）或关（截止）状态的，且在变频器的输出电压和输出电流中含有高次谐波。这些高次谐波的最高频率可达20MHz，并可通过静电感应和电磁感应形成电磁噪声。电磁噪声包括传导噪声和辐射噪声。传导噪声通过电源导线传播。辐射噪声辐射到空中以电磁波和磁场的形式直接传播。
传导噪声是由于输出电压高频脉冲dv／dt造成的。它会使起重机驱动电动机绝缘恶化，引起机械设备发生共振，加大电动机转子轴头两端、轴与轴承间的轴电压，且通过油膜放电使轴和轴承提前损坏。传导噪声可干扰起重机控制系统的正常工作，并可增加起重机负荷限制器的误差，使起重机上安装的电子式接近开关、光电开关误动作。
变频器的高频电磁波辐射噪声大部分集中在150kHz～1.5MHz频段，可对起重机上的通信设备、无线遥控器、无线吊钩秤、有线设备（收音、扩音机及电话机）等设备产生干扰，影响其工作的可靠性及使用的质量和效果。
(3)引起电动机噪声、振动、过热、转矩降低。变频器输出电压波形不是正弦波，在流过电动机的电流中含有许多高次谐波。在变频调速运行时，电动机绕组和铁心会因这些高次谐波而产生振动和电磁噪声。与采用电网工频电源直接供电的电动机相比，采用变频器供电的电动机，其噪声要大5～11dB，并使驱动的机械设备振动变大，尤其是5次、7次谐波所产生的脉动转矩将给电动机的转矩输出带来较大波动，若电动机输出转矩的波动与被拖动的机械系统发生共振而产生更大的振动，则由于高次谐波的影响，故即使电动机带相同的负载和运行在同一频率时，变频运行的电动机工作电流也将增加5％～10％，电动机温升高于工频电源供电的工况。
4．系统设计中应采取的抗干扰措施
在设计起重机变频控制系统时，应根据提高系统可靠性这一原则。在提高起重机高速比调速、起制动平滑特性和动静态调速特性的，还必须考虑整个系统的电磁兼容性。在进行系统设计时应采取的抗干扰措施如下。
(1)抑制电网电源波形畸变
为抑制在变频器运行中的高次谐波电流对工频电源的影响，应采取以下措施
①在交流进线主回路中串入电抗器。通过增设的电抗器，可以减小脉冲状电流波形的峰值，达到改善电流波形的目的。电抗器的选择以负载额定电压在电抗器上的电压降为原则。一般取2%～5%的电压降为宜，如电压降为5%时的电抗器，可降低约30%的高次谐波等。
②在变频调速系统的“一次”和“二次’，倾lj回路中接入LC或RC滤波器，通过削波和由电感、电容组成的高次谐波共振电路来达到吸收谐波的目的。
③选用有功率因数校正的整流电路，可以使变频器的输入电流波形近似为正弦波，其产生的高次谐波成分将减小。但这种整流电路的缺点是电路结构复杂，成本高。
(2)抑制电磁噪声
抑制变频调速系统产生电磁噪声的措施有
①对于通过电源线传播的传导噪声，可采用隔离滤波变压器，对高频成分形成有效的隔离；在直流回路串接直流电抗器，以提高对谐波成分的阻抗；在变频器输入端串入线路滤波器。
②抑制变频器产生的辐射噪声比抑制传导噪声要困难，具体的实施措施是应尽量缩短布线距离，并将导线对绞以减小阻抗；选用铁壳金属封闭结构的变频器，并将壳体可靠接地，将输入、输出电缆穿保护管敷设并将保护管接地；在变频器输出端增设输出电抗器和输出滤波器。
(3)降低系统噪声
降低变频调速系统噪声的措施有
①采用低磁密铸铁外壳的高刚性的专用变频电动机。
②选择低噪声冷却风扇和电抗器。
③在变频器输出端设置可将输出波形转换为正弦波的正弦滤波器。
(4)抑制系统振动
抑制变频调速系统振动的措施有①在系统启动时降低变频器的压频比值Uif;②将传动系统的刚性连轴器改为弹性连轴器；③在变频器输出端设置输出电抗器；④改变变频器PWM的载波频率。
(5)防止电动机过热
防止变频调速系统电动机过热的措施有①将变频调速系统的电动机由自冷方式改为他冷方式；②选用大一档容量的电动机；③提高电动机的绝缘等级，达到提高温升上限值的目的；④改用变频专用电动机；⑤对电动机调速范围进行控制，避免连续低速运行工况。
5．再生能量的处理
起重机设备属位能性负载，尤其当配重不平衡时，在起重机工作过程中，会出现电动机处于再生制动工作状态（发电状态），即电动机由于位能或惯性的作用，其转速会超过同步转速，再生能量通过与变频器逆变桥开关器件（IGBT管）并联的续流二极管的整流作用，反馈到直流母线。
由于交一直一交变频器的直流母线采用普通二极管整流桥供电，不能向电网回馈电能，所以反馈到直流母线的再生能量只能对滤波电容器充电而使直流母线电压升高，此过程被称为“泵升电压”。
直流母线电压过高将会对滤波电容器和功率开关器件构成威胁。所以，为了保护电容器及功率开关器件的安全，变频器都设置了直流母线电压过压保护。
对起重设备产生再生能量的处理方案有
(1)增大变频器直流母线上滤波电容器的容量，将再生能量储存起来，等电动状态时再释放给电动机做功。这种方法对节能有利，电容器的储能作用是有限的。若电动机的平均功率以10kW计算，回馈功率按25％计算，则为2.5kW，且电动机运行在发电状态的时间为2～3s，则回馈能量Ed=6000J。若采用15kW的变频器，其直流母线滤波电容的容量为2200μF，正常工作时直流母线电压(Us)小于600V，过电压保护值(Usm)为800V，那么Es=1／2(CU2sm)-1／2(CUs2)=1/2(2200×10-6)×(640000-360000)=308J，比起6000J的回馈能量来小得多了。也就是说，即使再增加10000uF的滤波电容，也只能储能1400J。，在大容量或者负载惯量大的系统中，不可能只靠增加滤波电容器容量的方法来限制泵升电压。
(2)采用由制动电阻器R。和制动单元组成的能耗制动电路可将回馈能量消耗在电阻上，这是一种耗能的方法，对节能不利，尤其是在大容量或者大惯量拖动系统中，能量的损失较大，系统整体效率低。
(3)对于应用多台变频器的起重机，可以采用共用直流母线方案，即起重机的变频器可共用一台整流器，将其直流母线连接在一起，因各变频器的回馈能量不可能在发生，所以将某一台变频器的回馈能量作为其他变频器的动力。这样即节约了能量，又防止了泵升电压的产生。
(4)对于更大功率的系统，为了回馈再生能量、提高效率，可以采用能量回馈装置，将再生能量回馈到电网，但回馈装置的采用使系统更复杂了，投资也更高了。所谓的能量回馈装置，其实就是一台有源逆变器。
有源逆变器按采用功率开关器件的不同又可以分为晶闸管(SCR)有源逆变器和绝缘栅双极型晶体管(1GBT)逆变器两种。它们又各有其特点和要求。
三相桥式可控整流电路用于有源逆变时，就成为三相桥式有源逆变电路，只是电路内电能的流向与整流时相反，直流母线输出电功率，电网则吸收电功率。
为了防止过电流，应满足Ud～Um的条件。Ud取决于电动机回馈能量的大小，而Um则可通过超前角β（B=π-a）来进行调节。
由于逆变时Um为负值，故B的调节范围应为π/2～0。考虑电感性负载及变压器漏抗的影响，最小逆变角Bmin≥π／6。
从上述的分析可见，逆变的条件有两个其一是要有直流电压存在，其极性应与晶闸管的导通方向一致，值应稍大于变流器直流侧的平均电压Um；其二是要求晶闸管的触发角a>π／2，使Um为负值。两者必须具备才能实现有源逆变。晶闸管有源逆变器的关键是交、直流侧的电压应匹配，否则无法实现有源逆变，即Um=-2.34U2cosβ（或-1.35U2cosβ）若逆变器交流侧直接接到380V交流电源上，且取最小βmin=π/6，则Ummax=480V左右，变频器直流母线电压在正常工作时为540V左右，Ud>Um，会形成能量在变频器整流器一逆变器一电网之间无谓循环，使直流母线电压降低，减小变频器的输出功率。而系统的要求是当回馈能量较小时，能量回馈装置不工作，让能量储存在滤波电容器中，当直流母线电压达到某一设定值时（如Ud>670V），能量回馈装置才开始工作，将多余的再生能量回馈电网。根据公式计算，逆变变压器副边的线电压应大于540V，相电压应大于300V，才能实现与电网电压的匹配。
采用IGBT管器件的有源逆变器，虽然其主电路结构与变频器中的无源逆变器基本相同，其功能和控制方法是不同的。变频器中无源逆变器的负载是三相交流电动机，其输出频率、电压及相位都可以由变频器随意控制；而IGBT管有源逆变器输出端接的是交流电网，是有源负载，其输出频率、相位和电压都必须与电网一致，否则会造成短路而烧毁逆变器。所以，在IGBT管有源逆变器的控制中增加了鉴频、鉴相器和锁相环控制，其电压由PWM控制，比晶闸管有源逆变器容易实现，，在输出端接有交流电抗器，用以抑制过电流。