桥式起重机的变频调速.docx

1、桥式起重机的变频调速桥式起重机的变频调速一、 桥式起重机的基本结构桥式起重机的基本结构如图1所示。图1.1 通用桥式起重机的结构图1. 桥架桥架是桥式起重机的基本构件，它由下列部件构成：主梁：用于铺设供小车运行的钢轨。端梁：在主梁的两侧，用于和主梁连接并承受全部载荷。走道：在主梁外侧，为安装和检修大小车运行机构而设。主梁横跨在车间中间，主梁两端有端梁，组成箱式桥架。两侧设有走道，一侧安装大车移行机构的传动装置，使桥架可在沿车间长度铺设的轨道上移动。另一侧安装小车所有的电气设备。主梁上铺有小车移动的轨道，小车可以前后移动。2. 大车运行机构用于拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动（以驾驶室的坐向

2、为准），由大车电动机、制动器、传动轴、万向联轴节、车轮等部分组成。3. 小车运行机构小车俗称跑车，用于拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动，主要由小车电动机、制动器、减速装置等部分组成。它的传动系统如图4-5所示。小车移动机构由小车电动机6经立式减速箱7拖动小车前后移动，两端装有缓冲装置和限位保护开关。4. 起升机构用于拖动重物作上升或下降运动，由吊钩电动机、减速装置、卷筒和制动器等部分组成。由提升电动机1经卧式减速箱2拖动卷筒3旋转，通过钢丝绳5使重物上升或下降大型起重机（超过10t）装有两个起升机构：起升机构（主钩）和副起升机构（副钩）。10t及以下的桥式起重机，通常只装有一套提升机构-主

3、钩； 二、 桥式起重机的负荷特点 桥式起重机的平移机构（大车、小车运行机构）的负载都属于恒转矩性质，起升机构为位能性负载，当起升机构起吊重物下降或者快速减速运行时，电动机处于再生发电制动状态。（变频调速时）需要将电能通过反馈装置反送给电网或消耗在制动电阻上，以防直流处的泵升电压影响制动效果。1负荷性质下降的动桥式起重机的大车、小车和起升机构在调速过程中，它们的阻转矩都是不变的，具有恒转矩的特点，属于恒转矩负载。2起升机构的负载特点由于重物在空中具有位能，因此是位能负载。其特点是：重物上升时，是电动机克服各种阻力（包括重物的重力，摩擦阻力等）而做功，属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重

4、力加速度下降的能力，（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）将成为下降的动力，电动机变成了能量的接收者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍需由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。 三、 桥式起重机的调速方法与节能比较1原拖动系统的调速方法桥式起重机械各部分的拖动系统，一般都需要调速，由于异步电动机与其它电动机相比，有着无可匹敌的优点：结构简单坚固，易于维护。因此，在变频调速问世之前，尽管调速方法各种调速方法都不尽如人意，但从使用的可靠性出发，仍被广泛地使用着。在起重机械中，比较常见的是采用绕线转子异步电动机改变转子回路内电阻的调速方法

5、，其主电路如图6-7所示。调速方法是通过滑环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控制转速。2绕线转子异步电动机调速时的功率损失当异步电动机的转子回路串入电阻后，其机械特性如图6-8（a）中的曲线2所示。这时，机械特性变软，在负载转矩TL不变的情况下，拖动系统的工作点由A点移至B点，转速由n1下降为n2，功率分配情况的变化如下。1) 同步转速未变，故电磁功率与未调速前相同，即：2）电动机轴上的转速为n2，故输出功率PL2将随之下降，即3）电动机的功率损失功率分配如图6-8（a）右侧所示，可见损失的功率在电磁功率中所占的比例是相当大的。事实上，转速的下降（或者说，机

6、械功率的减少）是通过在转子的外接电阻中消耗能量来实现的。并且转速越低，机械特性越软，损失功率在电磁功率中所占的比例也越大，是很不经济的。3变频调速时的功率损失异步电动机在改变频率后，其机械特性基本上与自然机械特性平行，所以，在不同转速下的转差大致相同，如图6-8（b）中的曲线所示，当负载转矩TL不变时，拖动系统的工作点为C点，这时：1）同步转速下降为n02变，故电磁功率也随之下降为，有：2）电动机轴上的转速也是n2，故输出功率PL2与上面相同，为3）电动机的功率损失为可见损失的功率与额定转速时的基本相等，如图6-8（b）右侧所示。所以，两种调速方法相比，变频调速的功率损失要小的多，节能效果是十

7、分显著的。除此之外， 如果变频调速系统再配上电源反馈选件，则在吊钩放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源，进一步节能。起升机构的变频调速一电动机的工作状态(一) 起升机构的主要特点1起升机构的大致组成起升机构的大致组成如图6-9所示。2起升机构的转矩分析在起升机构中，主要有三种转矩： 电动机的转矩：即由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。 重力转矩：由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩的重量G与卷筒半径r的乘积，即： （6-1）的方向永远向下。 摩擦转矩：由于减速机构的传动比较大，最大可达50（=50），因此，减速机构的摩擦转矩（包括其它损失转矩）不可小视。摩擦转

8、矩的特点是：其方向永远与运动方向相反。(二) 起升过程中电动机的工作状态1重物上升重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果，这时，电动机的旋转方向与转矩方向相同，处于电动状态，其机械特性在第象限，如图6-10中的曲线所示。工作点为A点。转速为。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已切换至曲线了，工作点由A点跳变至点，进入象限，电动机处于再生制动状态（发电机状态），其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降，并重又进入第象限，至B点时，又处于稳定运行状态，B点便是频率降低后的新工作点，这时转速已降为。2空钩（包括轻载）下降空钩（包括轻载）时，重物自身是不能下降的，必须由电动机反

9、向运行来实现。电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第象限，如图6-11中的曲线所示。工作点为C点。转速为。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已切换至曲线了，工作点由C点跳变至点，进入第象限，电动机处于反向再生制动状态（发电机状态），其转矩变为正方向，以阻止重物下降。所以也是制动转矩，使下降速度减慢，并重又进入第象限，至D点时，又处于稳定运行状态，D点便是频率降低后的新工作点，这时转速已降为3重物下降重载时，重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态，电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩方向却与旋转方向相反，是正方向的，其机械特性如

10、图6-12中的曲线所示。工作点为E点，转速为。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物均匀下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故相同的重物下降在下降时构成的负载转矩比上升时的小。(三) 与原拖动系统（绕线转子异步电动机拖动系统）比较1. 重物上升机械特性也在第一象限，如图6-13中的曲线所示，转速为。降速是通过转子电路串入电阻来实现的 ，这时机械特性为曲线，工作点由A点跳变至点，进入象限，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时，电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速降为。2. 轻载下降其工作特点与重物上升时相

11、同，只是转矩和转速都是负的，机械特性曲线在第三象限，如图6-13中的曲线和曲线所示。3. 重载下降重载下降时，电动机从接法来讲是正方向的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至图6-13中的曲线。这时电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，如图中E点所示。这时转速为。这种工作状态的特点是：电动机的转矩是正的，却被重物“倒拉”着反转了，电动机处于“倒拉”式反接制动状态。与变频调速方式比较，在重载下降时，两种调速方法的工作点都在第四象限，但电动机的工作状态是不同的。二起升机构对拖

12、动系统的要求起升机构的主要部件是吊钩，容量较大的桥式起重机通常配有主钩和副钩，这里以主钩为例说明其对拖动系统的要求。1. 调速范围起升机构应有一定的速度调节范围，一般为3：1，要求较高的可达510：1 ；即升降速度能根据负载情况而变化，空钩或轻载时，速度应快一些，重载时则较慢 ；2. 上升时的预备级速度吊钩从“床面”（地面或某一放置重物的平面）上升时，必须首先消除传动间隙，将钢丝绳张紧。在原拖动系统中，其第一档速度为预备级，预备级时的速度不宜过大，以避免机械冲击过大（应将启动转矩限制在额定转矩一半以下）；3. 重力位能的处理重物下降时，电动机处于再生制动状态，对于再生的电能，必须能妥善得处理。

13、 4. 制动方法起升机构中，由于重物具有重力，如没有专门的制动装置，重物在空中是难以长时间停住的 。为此，电动机轴上必须加装制动装置，常用的有电磁铁制动器和液压电磁铁制动器等。为了保证制动器的工作安全可靠，多数制动装置都采用常闭式的，即线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住，线圈通电时松开。5. 必须解决好的溜钩问题在重物开始升降或停住时，要求制动器和电动机的动作之间必须紧密配合。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要时间（约0.65，因电动机的容量而异），而电动机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，两者在动作配合上极易出现问题，如电动机已经通电，而制动器尚

14、未松开，将导致电动机的严重过载；反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。溜钩现象非但降低了重物在空中定位的准确性，有时还会产生严重的安全问题。因此要有相应的防止措施。6. 具有点动功能起重机械常常需要调整被吊物体在空间的位置，因此点动功能是必须的。三、起升机构采用变频调速的基本考虑（一）拖动系统的选择1. 电动机的选择（1）如果原电动机已经年久失修，需要更换，最好选用变频专用电动机。（2）如果原电动机是较新的鼠笼转子异步电动机，则可以直接配用变频器；（3）如果原电动机是较新的绕线转子异步电动机，则应将转子绕组短接，并把电刷举起，如图6-14所示。2. 变频器容

15、量选择在起重机械中，因为升降速时的电流较大，应求出对应于最大启动转矩和升降速转矩的电动机电流，通常变频器的额定电流可以由下式求出： （6-2）式中：-电动机的额定电流A;-所需最大转矩与电动机额定转矩之比；-1.5，变频器的过载能力；-1.1，（余量）。此外，主钩和副钩电动机必须分别配用变频器，不能共用。3. 制动电路的选择制动电阻的精确计算是比较复杂的，这里介绍的粗略计算法，虽然不是十分严谨，但在实际应用中是足够准确的。（1）位能的最大释放功率等于起升机构在装载最大负荷的情况下以最高速度下降。电动机的功率，实际上就是电动机的额定功率。（2）耗能电阻的容量。电动机在再生制动状态下发出的电能全部

16、消耗在耗能电阻上，因此，耗能电阻的容量应与电动机容量相等。即： （6-3）(3) 电阻值的计算：由于耗能电阻接在直流回路（电压为）中，故电阻值的计算方法是： (6-4 )(4) 制动单元的计算：制动单元的允许电流可按工作电流的两倍考虑，即： (6-5)4. 电能的反馈近年来，不少变频器生产厂都推出了把直流电路中过高的泵升电压反馈给电源的新品种或新附件，其基本方式有两种：(1) 电源反馈附件：接法如图6-15所示。图中接线端P和N分别是直流母线的“+”极和“”极。当直流电压超过限值时，电源反馈选件将把直流电压逆变成三相交流电反馈回电源去。这样，就把直流母线上过多的再生电能又回送给电源。（2）具有

17、电源反馈功能的变频器：其“整流”部分的电路如图6-16所示。VD1-VD6是三相全波整流用的二极管，与普通的变频器相同，VD1-VD6是三相逆变管，用于将过高的直流电压逆变成三相交变电压反馈给电源。这种方式不但进一步节约了电能，而且还具有抑制谐波的功效。5公用直流母线在起重机械中，用于变频器的数量较多，这些变频器可以采用公用直流母线的方式，即所有变频器的整流部分是公用的。由于各台变频器不可能同时处于再生制动状态，因此可以互相补偿。公用直流母线方式与电源反馈相结合，不但结构简单，并可使起重机械各台变频器的电压稳定，不受电源电压波动影响。（二）变频器的调速方案1. 控制要点1）控制模式一般来说，为

18、了保证低速时能有足够大的转矩，最好采用带转速反馈的矢量控制方式，但近年来，无反馈矢量控制的技术已有了很大提高，在定位要求不高的场合也可以采用。2）起动方式为了满足吊钩从“床面”上升时，需要消除传动间隙、将钢丝绳拉紧的要求，应采用S形启动方式；制动方式：采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。3）点动控制：点动控制是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。2. 调速方案1）变频器的选型考虑到起升机构对运行可靠性要求较高，故选用带转速反馈矢量控制功能的变频器。2）调速机构虽然变频器调速是无极的，完全可以用电位器来进行调速。但为了便于操作人员的迅速掌握，多数用户希望，调

19、速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。因此采用左、右各若干档转速的控制方式，如图6-17所示。3. 控制电路这里选用日本安川G7系列变频器为例，并结合PLC控制，如图6-17所示。控制电路的主要特点如下：1）变频器的通电与否，由按钮开关SB1和SB2通过接触器KM1进行控制。2）电动机的正反转及停止由PLC控制变频器的输入端子S1和S2来实现。3）YB是制动电磁铁，由接触器KMB控制其是否通电，KMB的的动作则根据在起升或停止过程中的需要来控制。4）SA是操作手柄，正、反两个方向各有7档转速。正转时接近开关SQF1动作，反转时接近开关SQR1动作。5）SQF2 是吊钩上升时的限位开

20、关。6）按钮开关SB3和SB4是正、反两个方向的点动按钮。7）PG是速度反馈用的旋转编码器，只是有带速度反馈矢量控制必须的。（三）关于防止溜钩问题1. 原拖动系统防止溜钩的方法（1）重物从空中停止状态转为上升和下降。如果使制动电磁铁YB1先通电，等抱闸松开后再接通电动机，则在抱闸逐渐松开，而电动机尚未通电的过程中，重物必将下滑，形成溜钩。为了防止这种现象的发生，只能使电动机和制动电磁铁YB同时通电，其缺点是：当抱闸尚未松开，以及闸尚未完全松开的过程中，电动机将处于过载状态。（2）重物上升或下降到半空中转为停止状态。如果使电动机和制动电磁铁YB1同时断电，则因为抱闸从断电到完全抱紧，大约需要06

21、s的时间（视型号和大小而定），当抱闸尚未完全抱紧的过程中，重物必将下滑，形成溜钩。为此，令制动电磁铁YB1在电动机断电之前提前06s断电，待电动机断电时，抱闸已经抱紧了。这种方法的其缺点是：在制动电磁铁YB1逐渐抱紧的过程中，电动机也必将处于过载状态。对于制动电磁铁YB1来说，在开始抱闸和电动机断电之间，也必将具有闸皮与制动轮之间进行滑动摩擦的过程，影响闸皮寿命。即使这样，在要求重物准确停位的场合，仍不能满足要求。操作人员往往通过反复点动来达到准确停位的目的，这又将导致电动机和传动机构不断受到冲击以及继电器、接触器的频繁动作从而进一步影响制动器的寿命。2. 变频调速防止溜钩的方法由于日本安川G

22、7系列变频器具有四象限运行的功能，在零速时也能有足够大的转矩“拖动”负载，因此，防止溜钩的问题变得十分简单。1）重物从空中的停止状态转为上升或下降。可先令变频器处于“0”状态，进行“预励磁”，使变频器产生足够大的转矩拉住重物。于此同时，使制动电磁铁YB1通电即可。3）重物上升或下降到半空中转为停止状态。当需要被吊物体在空中停住时，只需要将速度调节为“0”。4）同时迅速令制动电磁铁YB1断电即可，变频调速系统有足够大的转矩使重物在空中停住06s以上。因此，调速手柄在正反方向的第一档转速应为“0”速。5）由于制动电磁铁YB1是在重物已经停住得状态下抱紧或松开的，每次抱紧或松开时，闸皮与制动轮之间都

23、基本没有相对运动，因而磨损甚小，大大延长了制动器的寿命。此外重物在空中的定位也变得容易了。大车和小车的调速一、 大车拖动系统（一）大车拖动系统的特点1. 拖动方式（1）集中拖动：由一台电动机经减速装置后拖动大车的两个主动轮同时移动。（2）分别拖动： 由两台电动机分别拖动大车的两个主动轮同时移动。多数吨位较大的桥式起重机都采用这种方式，该方案机动灵活，但应注意选用同型号的两台电动机和同一控制器，以实现同步拖动。2. 大车拖动系统的主要特点（1）调速范围：一般在6:1以内。（2）基本工况：大车拖动系统属于断续工作方式，因此，在按照发热原则选择电动机时，允许电动机过载。（3）供电方式：通常采用滑线供

24、电方式。（4）终端保护：大车在行程的两端，都有行程开关进行终端保护。（二）大车变频调速要点1. 电动机的选择：基本原则与起升电动机相同，即：1）尽量采用原有电动机，如原有电动机是绕线转子异步电动机，则将转子绕组短接，并把电刷举起； 2）如需要更换电动机，最好选用变频调速专用电动机。2变频器的选择1）集中拖动方式：考虑到电动机允许过载的情况，变频器的容量以加大一档为宜。2）分别拖动方式： 两台电动机可共用一台变频器，因此只能采用V/F控制方式，变频器容量 应在两台电动机容量的基础上加大一档。3. 控制要点1） 调速方式：与上述起升机构的调速方式类似。2）过载保护：一台变频器同时为两台电动机供电，

25、故变频器的热保护功能将不起作用。因此每台电动机的热继电器必须配备。3）重合闸功能：由于采用滑线供电方式，在运行过程中，有可能出现因短暂接触不良造成的瞬间停电。因此，变频器在瞬时停电以及故障跳闸后的重合闸功能是必须的。4）升降速方式：因为大车实际上是带着重物运行的，因此为了避免被吊物发生晃动，应采用S形升降速方式。大车变频调速系统主电路如图6-18（a）所示。二、小车拖动系统的主要特点1. 主要特点由于行程较短，故调速范围较小，一般在4:1以内。其基本工况、供电方式与终端保护等都与大车相同。2. 电动机的选择基本原则与大车电动机相同，即：1）尽量采用原有电动机，如原有电动机是绕线转子异步电动机，

26、则将转子绕组短接，并把电刷举起； 2）如需要更换电动机，最好选用变频调速专用电动机。3变频器的选择只用一台变频器，可采用V/F控制方式或无反馈矢量控制方式。小车变频调速系统主电路如图6-18（b）所示。起重机械专用变频器近年来，不少变频器生产厂推出了专门针对起升机构的起重机械专用变频器，使起升机构得变频调速问题更加方便和可靠了 ，这里以日本三菱公司生产的FR-241E系列变频器为例进行介绍。一、变频器防止溜钩的措施1. 重物从停止状态转为运行（上升和下降）的控制过程。1) 设定一个“升降起始频率”fSD，当变频器的工作频率上升到 fSD 时，将暂停上升，fSD通常预置为0.5-3HZ。2) 检

27、测电流：为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到fSD 的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间Tsc, 以确认电动机的转矩是否已经建立。tsc通常预置为0.3-0.5s。3) 向制动电磁铁发出“通电指令”，当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将向制动电磁铁发出“通电指令”，使制动电磁铁开始松开。4）设定一个fSD 的维持时间tSD，tSD的长短应略大于制动电磁铁从开始通电到完全松开所需要的时间；tsc通常预置为0.3-0.8s。5）变频器将工作频率上升至所需频率。经过上述步骤后，制动电磁铁已完全松开，变频器的输出频率（工作频率

28、）可以上升至所需的运行频率了。上述过程如图6-19左侧所示。2. 重物从运行（升降）到停住的控制过程1）设定一个“停止起始频率”fBS，当变频器的工作频率下降到fBS 时，将暂停下降。fBS通常预置为3-8HZ。2）向制动电磁铁发出“断电指令”。当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将向制动电磁铁发出“通电指令”，使制动电磁铁开始松开。3）当变频器的输出频率到达fBS时，将输出一个“频率到达信号”，使制动电磁铁断电。4）设定一个fBS的维持时间tBB，tBB的长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱紧所需要的时间。tBB通常预置为0.3-0.8s。5）变频器停止运行。制动电磁铁已完全抱紧后，将

29、工作频率下降到 0HZ, 变频器停止运行。上述过程如图6-19右侧所示。二基本控制电路1. FR-241E系列变频器控制起升机构的基本电路FR-241E系列变频器控制起升机构的基本控制电路如图6-20所示，其主要特点如下：2. 变频器各输入端子的功能1）“STOP” 当控制制动电磁铁通电的接触器KMB通电并吸合时，“STOP”与“SD”之间闭合，变频器的运行状态将被自锁（保持原状态，并非停止）。这是因为，在主令开关SA换挡过程中，各控制信号将可能出现瞬间的断开状态，变频器的自锁功能可以避免其运行状态受到控制信号瞬间切断的影响。反之，当接触器KMB失电并断开后，自锁功能也随之结束。2）“STF”

30、 、“STR”正、反转控制，由继电器K3与K4进行控制。3）“RL” 、“RM” 、“RH” 由主令控制器SA通过继电器K2、K5、K6进行多档转速控制，升速与降速都只有3档转速，（也可以通过PLC进行更多档调速）。4）：“RT”第2加减速控制端，它与低速档端子“RL”同受继电器K2的控制，以设定低速挡的升降速时间。5）“RFS”复位端，用于变频器出现故障并修复后的复位。3. 变频器各输出端子的功能1）“RUN”当变频器预置为升降机运行模式时，其功能为：变频器从停止转为运行时，其输出频率到达由功能码“Pr.85”预置的频率时，内部的晶体管导通，从而继电器K7得电并吸合接触器KMB得电并吸合制动

31、电磁铁MB得电并开始释放；变频器从运行转为停止时，其输出频率到达由功能码“Pr.89”预置的频率时，内部的晶体管截止，从而继电器K7失电接触器KMB失电制动电磁铁MB失电并开始抱紧。2）“B”、“C”、用符号KF来表示，当变频器发生故障时，它控制电路断开。3）继电器K1的作用之一：控制器零位连锁为保证只有当主令或凸轮控制器手柄置于“零”位时，才能接通控制电路，一般将控制器仅在零位闭合的触点与该机构失压保护作用的零电压继电器或线路接触器的线圈相串联，并用该继电器或接触器的常开触点作自锁，实现零位连锁保护。这就避免了控制器手柄不在零位而发生停电事故时，一旦送电后，将使电动机自行启动，而发生危险。继电器K1的作用之二：当变频器运行时，继电器K1吸合并自锁。当SA的手柄转到“0位”时，继电器K7并不立即失电，继续接受变频器“