利用变频调速技术对起重机的改造设计

1利用变频调速技术对起重机的改造设计胡满红孟惠霞（济源职业技术学院机电系，河南济源454650）摘要：变频调速具有运行平稳、定位精度高、节能、维护工作量小、自动控制性能好、提高起重机的作业效率等优点。本设计介绍了使用变频技术改造起重机电气系统的有关问题，如电动机、变频器、及其辅件的选用及有关参数的计算方法。关键词：变频技术起重机中图分类号：TP273文献标识码：A一、概述电力电子技术的发展，使传统起重机的绕线型电动机调阻调速方式开始面临挑战，由于变频调速的技术性能更加适合交流起重机的要求。主要反映在：（1）变频调速在低速段，包括零速时能输出大的转矩，在整个调速范围内能实现线性的转矩输出；（2）变频调速具有快速的动态响应；（3）变频器能承受位势负载的冲击；（4）具有与起重机操作适配的相应软件；（5）变频器及其控制指令系统和保护系统的高可靠性。二、电动机的选用旧式的由凸轮控制器控制的交流电机为绕线型电动机，而采用变频调速后，则可以选用结构更加简单的笼行电机。在选择电动机容量时必须考虑下述各点：（1）所选择的电动机容量，应大于负载所需功率；（2）电动机的起动转矩必须大于负载所需起动转矩；（3）电源电压下降10%的情况下，转矩仍能满足起动或运行中的需要；（4）考虑传动装置的效率和负载波动等因素，必须留出一定的余量；（5）从电动机温升角度考虑，为了不降低电动机的寿命，温升必须在绝缘所限制的范围以内；2（6）与负载的性质相配合，对电动机应选择合适的工作制。设备改造前电机的参数：小车电动机型号规格：JZR2-12-6额定容量：3.5KW额定电压：380V额定电流：10.3A大车电动机型号规格：JZR2-22-6额定容量：7.5KW额定电压：380V额定电流：20.9A卷扬车电动机型号规格：JZR2-51-8额定容量：22KW额定电压：380V额定电流：56.5A根据前面所述电动机的选型要求，提高电动机的容量,以获得200%的力矩值。改造后电动机的选型为：小车电动机型号规格：YZ132M2－6额定容量：3.7KW额定电压：380V额定电流：9.2A大车电动机型号规格：YZ160L-6额定容量：11KW额定电压：380V额定电流：24.6A卷扬车电动机型号规格：YZ250M1-8额定容量：30KW额定电压：380V额定电流：67A三、变频器的选用1、变频器的选型因起重机负载为恒转矩负载，故要选用恒转矩类型的变频器。为确保起重机安全可靠运行，选用过载能力高的变频器。环境温度在很大程度上影响变频器的寿命和可靠性，变频器的安装环境温度不要超出变频器的允许温度。环境相对湿度要符合变频器的要求。按使用环境不同，选用合适的防护等级。本次设计选用富士公司生产的FRENIC5000G9S变频器。该产品为32位微机控3制的SPWM调制型IGBT变频器，采用先进的电压矢量控制和全数字式控制方式。2、变频器容量的选择大多数变频器的容量均以所适用的电动机的功率、变频器的输出视在功率和变频器的输出电流来表征的。其中最重要的是额定电流，它是指变频器连续运转时允许输出的电流。额定容量是指输出电流与额定输出电压下的三相视在功率。选择变频器容量时，变频器的额定电流是一个关键量。（1）起升机构起升机构平均起动转矩一般来说可为额定力矩值的1.3—1.6倍。考虑到电源电压波动因素及需通过125%超载试验要求等因素，其最大转矩必须有1.8—2倍的负载力矩值，以确保其安全使用的要求。通常对普通笼形电机来讲，等额变频器仅能提供小于150%的超载力矩值，以确保其安全使用的要求，可通过提高变频器容量（YZ型电机）或同时提高变频器的和电机容量（Y型电机）来获得200%力矩值。连续运转时所需的变频器容量的计算式为：cosMCNKPP3103MMCNIUKPMCNKII（A）式中：MP—负载所要求的电动机的轴输出功率；—电动机的效率（通常约0.85）COS—电动机的功率因数(通常约0.75)MU—动机电压(V)；MI—电动机电流(A)，工频电源时的电流；K—电流波型的修正系数（PWM）方式取1.05—1.2)4CNP—变频器的额定容量(KVA);CNI—变频器的额定电流(A)。卷扬车电动机额定电流67A，取K=1.2，CNI≥MKI=80.4（A），符合这档的日本富士变频器的型号为FRN45G9S-4(额定电流为91A)。（2）运行机构小车电动机额定电流：9.2A，取K=1.2计算，CNI≥MKI=11.4A选择变频器型号为FRN5.5GPS-4(额定电流为13A)。一台变频器传动多台电动机并联运行，即成组传动时变频器容量的计算：变频器短时过载能力为150%时，如果电动机加速时间在300s内有小于1min的加速时间，则：)1(1)1(321SSTCNSsrMCNKnnPKnnCOSKPP（KVA）2.1)1(132SSTMrCNKnnInI当通过软件设计将变频器控制的起动电流控制在电机额定电流的1.5倍内,SK=1.5。即有1CNCNPPMTCNInI2.1当电动机加速时间在300s内有大于1min的加速时间时，则)1(1)1(cos1SCNSsrMCNKPKnnKPP(KVA)且必须)1(1SSTMTCNKnnInI其中Tn为并联电动机的台数，Sn为同时起动的电机台数，1CNP为连续容量（KVA），cos/1TCNCNKPP，SK为（电动机的起动电流）/（电动机的额定电流）5大车行走电动机额定电流24.6A，数量2台，取电动机加速时间在300s内有小于1min的加速时间,通过软件设计将变频器控制的起动电流控制在电机额定电流的1.5倍内,计算得MrCNInI2.1=59.04A，所以选择变频器的型号为FRN30G9S(额定电流为60A)。表1变频器电机变频器型号小车电动机FRN5.5GPS-4(额定电流为13A)大车电动机FRN30G9S(额定电流为60A)卷扬电动机FRN45G9S-4(额定电流为91A)，四、外围设备的选择变频器系统器件由断路器、接触器、变频器、制动电阻、制动单元组成。1、断路器用于电源回路的开关，并且在出现过流或短路事故时自动切断电源，以防事故扩大。如果需要进行接地保护，为避开变频器投入时直流回路电容器的充电电流峰值，为变频器配置的断路器的容量为电机额定电流的1.3-1.4倍，整定值为断路器额定值的3-4倍。小车电动机额定电流9.2A，断路器的容量I=1.3×9.2=11.96A大车电动机额定电流24.6A，断路器的容量I=1.3×24.6×2=63..96A卷扬电动机额定电流67A，断路器的容量I=1.3×67=87.1A根据所计算的断路器的容量值，断路器的的选择如下：表2断路器电机断路器型号额定电流In(A)瞬间脱扣整定值(A)小车电动机DZ20Y-160/3300164In大车电动机DZ20Y-160/3300804In6卷扬电动机DZ20Y-160/33001004In２、接触器接触器在变频器主回路中仅在变频器辅助器件或控制回路故障时起断开主回路的作用，一般不用于回路开断器件用，在变频器保护功能起作用时切断电源。电网停电后可以防止自动再投入以保护设备的安全及人身安全。故可按电机额定电流选用接触器容量，无须按开断次数考核其电寿命。根据电机额定电流，接触器选择如下：表3接触器电机接触器型号额定电流In(A)额定工作电压Ue（v）小车电动机CJ20-10/310380大车电动机CJ20-100/3100380卷扬电动机CJ20-100/31003803、制动单元日本富士变频器制造厂已将变频器、制动单元配套，按变频器的型号选择相对应的制动单元。大车电动机选择制动单元型号为BU037-4，卷扬电动机选择制动单元型号为BU055-4。4、制动电阻器日本富士变频器制造厂已将变频器、制动电阻配套，按变频器的型号选择相对应的制动电阻。小车电动机选择制动电阻型号为DB5.5-4，大车电动机选择制动电阻型号为DBH-030-4，卷扬电动机选择制动电阻型号为DBH045-4。五、具体实施因操作人员在起重机操作上存在习惯性问题，故仍保留原来的凸轮控制器和主令控制器的操作方式。利用凸轮控制器和主令控制器5对触点分别使变频器的多级频率选择触点接通或断开，来达到起重机所要求的正、反两个方向的6种速度。闭合升降变频器的工作频率和加速时间，使7之与速度相互配合，保证抓斗在升、降过程中4根钢丝绳都拉直，均匀受力。设定起重机的抓斗在升降、开闭及大车、小车所需多级频率参数分10HZ、20HZ、30HZ、40HZ、45HZ、50HZ、6档。设置变频器有关参数，见下表：表4参数设置名称设定值抓斗升降抓斗开闭大车小车加速时间（s）0．50．24510减速时间（S）0．50．35．55转矩提升（%）152077转矩限制（%）驱动120120120140制动130130100100六、结束语由于笼型电动机取代了绕线型电动机，避免了因集电环、电刷、起动电阻方面引起的故障问题，每年可节约大量费用。机械特性硬为恒转矩调速，抓斗在任何档位都可稳定下降，不受负载影响，不会产生失控现象。交流接触器的数量由原来的21只减少到5只，电机主回路实现了无触点化，提高了系统的可靠性。改善了电动机的起动特性，发热损耗少，节电效果应为15%～30%。参考文献：[1].韩安荣吴成东.通用变频器及其应用.[M].北京：机械工业出版社.2006.[2].中国机械学会设备维修专业学会.机修手册.[M].北京：机械工业出版社.1993.[3].郑忠.新编工厂电气设备手册[M].北京：兵器工业出版社.1994[4].日本富士变频器选型手册TheDesignofUsingFrequencyConversionandTiming8toImprovethePerformanceofCraneHUMan-hongMENGHui-xia(MechanicaiandElectricDepartment,JiyuanVocationalandTechnicalCollege,Jiyuan454650,Henan,China)Abstract：Thetechnologyoffrequencyconversionandtiminghasmanyexcellences,suchassmoothrunning,highprecisionoforientation,savingenergy,smallworkofmaintenance,betterperformanceofauto-control,improvingtheefficiencyofcraneandsoon.Mydesignintroducestherelativeproblemsofusingthefrequencyconversiontechnologytoimprovetheperformanceofelectricsystemofcrane,forexampletheelectromotor,thetransducer,thewayofselectingassistantequipment,andthecalculationalwayofrelativeparameters.Keywords:frequencyconversiontechnology,crane