变频器技术在港口门式起重机上的应用与探讨

变频器技术在港口门式起重机上的应用与探讨【摘要】本文主要分析了变频器的基本原理，港口门式起重机变频器控制的组成，包括电路控制部分与机构控制部分，并简要分析了变频器技术应用于港口门式起重机上的优缺点，为变频器技术的应用与发展奠定了理论基础。【关键词】港口门式起重机；变频器技术；基本原理；控制组成；优缺点1前言随着港口现代化的快速发展，相关配套设施也必须更加科学和完善。门式起重机在港口的应用由来已久，目前我国使用的交流传动控制具有损耗大、效率低的缺点，而直流传动受到机械式换向器的限制，都对门式起重机的应用有所阻碍。变频技术的调速范围广、稳速精度高等优点，对门式起重机的调速更有优势。本文选取某港口为例，就变频器技术在港口门式起重机上的应用作相关探讨。2变频器的基本原理2.1矢量控制通过测量和控制异步电动机定子电流矢量实现矢量控制，根据磁场定向原理，控制异步电动机的转矩电流和励磁电流达到控制异步电动机转矩的效果。实际中的操作是将异步电动机的定子电流矢量Ia、Ib、Ic，通过三相/两相变换，将其等效成两相静止坐标系下的交流电流，再通过转子磁场定向旋转变化，等效成同步旋转坐标系下产生转矩的转矩电流和产生的励磁电流。然后仿照直流电动机的控制方法，确定电动机的控制量，将坐标反变换，输出Ia、Ib、Ic，这三相变频电流，，从而实现调速控制[1]。2.2恒转矩负载起重重力是主起升机构的主要负载，当起重机运转时，它的负载转矩方向不随之改变。因为负载转矩T的方向是由重力引起的，所以它的方向是不会改变的。负载转矩的方向和大小不受升降速度大小，下降或提升的改变的影响，这就是恒转矩负载。在选择异步电动机的功率时，要注意恒定值的选择，即转矩和转速之积与功率成正比，这就说明恒转矩负载消耗的能量与转速是成正比的。主起升机构电动机为变频调速三相异步电动机，因为主起升机构电动机容量大，所以选用了整流回馈和逆变单元相结合作为变频装置，以保证主起升机构的安全运行。恒转矩控制的特点是下放重物时，平衡转矩小于负载转矩，存储于负载中的位势能被释放出来变成动能，负载异步电动机和拖着机械转动，此时异步电动机转矩方向和转速方向是相反的，电动机发电产生电能，回馈单元将电能输回电网中[2]。3港口门式起重机变频器控制的组成3.1电路控制部分变频器的电路结构分为主电路和控制电路，主电路和控制电路的组成比较复杂。主电路由四部分组成，分别是中间直流电路、逆变电路、整流回馈电路，不难知道电源再生单元、限流单元、控制电路直流电源检测等又组成了中间直流电路。控制电路主要由中央处理器(CPU)、A/D和D/A转换电路、数字信号处理器(DSP)、I/O接口电路、输出信号检测电路、通信接口电路、数字键盘以及控制电源等组成。1）整流回馈：2个反并联晶闸管桥组成整流回馈单元的功率，产生的电流供应逆变器直流母线，电能通过直流母线输回到电网中。在回馈工作时容易导致电压降低，这对电流带来干扰，此时要将回馈桥的输入电压提高20%来避免这种干扰。通过连接工作桥到本身的电网可以实现提高电压的目的，也可以借助自藕变压器来实现。2）滤波器2.0：防止电压受到整流回馈单元无线电的干扰。3）进线电抗器Li：限制电网谐波，进线电抗器的主要作用是减弱电网谐波的干扰，使整流单元不受影响。与此同时，电网电压的跳跃或因电网系统操作带来的干扰也不容易影响到整流单元。4）逆变器单元：逆变器的主要作用是为变频调速，全数字电压型PWM调制DC到AC变频装置是逆变桥使用的主要装置，它属于双极型晶体管功率器件。5）自藕变压器TC1：在电网电压有扰动时，自藕变压器使逆变桥与电网之间有一个较好的适应性；电机在发电情况下达到最大转矩。3.2机构控制部分港口门座起重机主要由起升、变幅、旋转以及行走四大机构组成，前三个机构既可各自独立运行，也可根据要求协同工作，仅行走机构与其他三个机构连锁独立运行。具体工作特性如下：1）起升机构起升机构的驱动动力来自于一台起升电机，起升电机的闭环控制是由变频器接收安装在电机上的增量型旋转编码器的反馈信号，并进行信息处理，然后将处理过的信息传递给起升电机进行闭环控制。起升电机内安装有超速与温控开关，以控制起升电机的速度与温度，同时超速开关还可以对发生严重超速的起升电机进行制动控制，因此还需在起升机构的高速与低速轴上各安装一台制动器，超速开关与制动器共同确保电机不会因为严重超速发生重大故障。起升机构还需要安装多个限位开关，包括上升下降停止限位开关和上升下降极限限位开关。停止限位开关是当运行机构上升下降到指定位置，触碰到停止限位开关后，运行机构能够立即停止；极限限位开关是运行机构上升下降到极限位置，触碰到极限限位开关后，运行机构能够立即停止，极限限位开关主要起到的是保护作用，一般限位采用的是凸轮限位。2）变幅机构变幅机构的驱动动力来自于一台驱动电机。与起升机构相同，变幅电机的闭环控制也是来自于增量型旋转编码器的反馈信号，并且超速与温控开关以及风机都是变幅电机必不可少的保护装置，以控制变幅电机的温度与速度。同样变幅机构也需要安装幅度的限位开关，一般安装在钢丝绳卷筒或臂架的根部，用以保证变幅过程的安全。唯一不同的是变幅机构的制动器是一台常闭式制动器，该制动器能够将机构运行过程中的抱闸紧与抱闸松限位信号反馈给变幅控制器，从而判断制动器的松紧状态。3）旋转机构旋转机构的驱动动力来自于二台驱动电机，该驱动电机能够进行360°旋转。旋转机构的制动需要保证机构旋转部分回到顺风位置时方可进行制动，以减少机构的迎风面积，保证机构的稳定性。旋转机构在运行过程中需要做到准确停车、平稳制动，程序自动控制有可能达不到运行要求，因此将旋转机构的制动器设计成常幵式脚踏液压式，并由专职司机控制，以保证制动力矩的精确控制。除上述制动器外，旋转机构还设有手轮锁紧装置，可以保证旋转机构在停止工作后可以手动锁紧制动器，防止旋转机构的随风运行而造成危险。4）行走机构行走机构的驱动动力来自于八台驱动电机，每台行走电机都设置有制动器，并且都具有幵闭状态的反馈信号，变频器可选择与旋转机构共用，接触器需要与旋转电机联锁。同时，为防止门座起重机受到大风影响，而产生沿轨道的滑移或失稳，可在每台驱动电机上安装一台液压夹轨器。同前两个机构类似，行走机构也需要安装停止限位、极限限位、行走减速限位以及防撞限位，用以保证行走机构的运行安全。另外，行走机构还需要安装手动锚定装置，用以判断行走机构的锚定状态，判断行走机构的运行安全而选择运行与否。4变频器技术应用于港口门式起重机上的优缺点4.1优点1）采用变频器技术后，可以保证主起升机在载重物时平稳操作，达到快速制动的效果，避免了溜钩的现象。2）即使门机的启动电流较小，采用变频技术后能够实现较高的启动转速，若门机频繁启动或制动，电动机也不会受到较大的损耗，延长了电动机的寿命。3）变频器应用于大车运行或和小车运行中可以实现大范围内的平稳调速，而且提高了响应速度，效率也随之提高，这样可以降低对机械的损耗。4）整流回馈和逆变单元的结合大大节约了门机电气室的制造空间，操作过程中的位势能转化成电能，对这些电能的再利用不仅节省了能源，而且提高了能源的利用效率，从而减少了施工成本。由于电路结构紧凑，不会占用太多的用地面积。5）调节和控制性能大大提高。在系统控制和调节过程中，变频器可以准确确定设定点，最大限度满足运行要求，启动转矩高，在加速时，系统控制功能能自动启动转矩，顺利启动。借助触摸屏可以控制和监视变频器的运行情况，若监测出问题可以方便修改运行参数，使对变频器的控制更加准确。6）触摸屏可以准确反映变频器运行状态，检测设备故障，实时检测个机构的情况。减少了检测或处理故障的时间，方便了操作人员的工作，提高了工作效率。4.2在工程运用中发现的缺点1）供电电源不能出现故障。回馈制动方式要求电网稳定，不容易发生故障，整流回馈和逆变单元结合时容易烧断熔断器，在港口门式起重机上运用变频器要求供电电源可靠，质量好。2）触摸屏等电子设备的运行对温度有一定的要求，最低温度为25摄氏度，而北方地区的温度常低于25摄氏度，所以冬季使用港口门式起重机的要求较高，使用前要开启加温设备，达到要求温度再进行操作，使用后要对设备进行保养，延长港口门式起重机的使用寿命[3]。5结束语如今很多工业领域都引进了变频器技术实现了更好的发展，但是变频器技术极少应用于港口门式起重机中，应用后效果也并不理想。变频器技术应用在港口门式起重机中有效提高了工作效率，减少损耗，相对于单一的港口门式起重机具有优势，要想将变频器技术与港口门式起重机很好地结合在一起还需要克服各种技术难题，真正做到将电子技术引入电气传动领域中，满足实践发展的需要。【参考文献】[1]曾凡煜.变频调速电梯系统的设计分析及相关应用[J].电子世界，2014,12:132.[2]王勤.飞轮储能在港口吊机制动能量再生系统中的应用[J].现代交通技术，2014,03:77-79.[3]卢永江,邱国强.变频器技术在港口门式起重机上的应用[J].水电站机电技术，2006,05:5