变频技术在桥式起重设备上的应用

【摘要】 本文介绍了桥式抓斗起重机（简称桥抓）负载的特点、变频技术在“桥抓”传动系统中的应用、主要技术参数的选择与设定以及改造后所取得的明显效果。 【关键词】 “桥抓”变频调速 矢量控制 前言 　　随着电力电子技术的发展，变频技术普遍应用于电力拖动领域，特别是众多的热电厂纷纷采用变频器、对一些耗能较大的设备（如引风机、送风机、给水泵、循环泵等）实行变频调速，取得了明显的节能效果。而“桥抓”采用变频调速，取代传统的电机转子回路串阻调速控制方法，近几年才开始应用的新技术，是一个新的探索和尝试。本文简述了无速度传感器矢量控制的变频技术在“桥抓”传动系统中的应用。 1 负载的特点 　　“桥抓”在运行过程中负载的变化十分复杂，在拖动过程中对转矩要求高，特别要求变频拖动与调速系统在低速包括零速时应能输出较大转矩（>150%额定力矩），动态响应快，能承受四象限力矩的变化，“桥抓”在运行过程中，电机处于频繁的正反转切换运行，起动时冲击力大；“桥抓”的抓斗是提升负载，当抓斗由下至上运行时，电动机工作在电动状态，当抓斗由上至下运行时，电动机工作在发电状态。 　　传统的“桥抓”电气传动系统采用转子串电阻的方法起动和调速，抓斗的卷扬、开闭电动机在使用过程中反复承受无数次的倒顺转操作，经常受强电流、大力矩冲击，对电机和机械部件损伤较为严重，交流接触器、电阻箱、滑环碳刷使用寿命短，严重影响生产。要从根本上解决“桥抓”故障率高的问题，只有彻底改变绕型电机转子串电阻的调速方式，应用变频器其优越的软启及调速性能与完善的保护功能，为“桥抓”的传动系统可靠运行提供有利的条件。 2 改造方案 　　由于抓斗两台电动机的运行状态是可逆的，所以采用的变频器也应是可逆的，而用于“桥抓”的日立J300（SJ300）系列变频器能实现是象限运行，它能将电网的电力输送给电动机，拖动“抓斗”上升，而当“抓斗”下降时，通过自动放电单元，将电动机的再生能量消耗在放电电阻上，并起到“能耗制动”的作用。 2.1 动力回路 　　进线交流接至“桥抓”操作台空气开关柜内，大车、小车电机保持原有接线方式。加装HRS-200刀熔开关作为主吊，开闭调速电动机变频器的断开点。刀熔开关的上端接至拖缆端子盒，下端接变频器的输入，变频器输出接电动机。变频器的过压过流、短路等保护功能作为电动机保护，刀熔开关及电源总空气开关作为变频器的后备保护。 2.2 控制回路 　　“桥抓”操作台的运行指令，外部动作要求信号通过控制单元与变频器连接，变频器对外的动作要求信号通过控制单元与外部执行单元连接。控制转速点数由主令控制档数设定。继电器及相应其他元件，都选择采用优质品牌的欧姆龙或富士产品。 3 主要技术参数 　　在桥抓上应用变频器，因为其特定的工况要求及特殊的负载特性，也就决定了如何使用变频调速装置的型号、功率、保护等技术参数的合理配置，必然要结合现场生产设备具体情况慎重考虑选择。 以下简述一下我单位在改造旧“桥抓”采用变频调速时，进行分析选择的几个主要技术参数。 3.1 驱动电机 　　传统的交流起重机用绕线式异步电机，其输出外特性与转子电阻有关。而改用变频调速，通过保持电压/频率（V/F）基本恒定条件下，改变频率来实现调速，因此可用结构简单，维护方便的鼠笼式异步电动机来取代。但必须满足功率、转矩、散热等要求。 3.2 变频调速器 　　考虑到“桥抓”工况可变性大的因数，所以选用比电机功率升一级的变频器。例如：用37KW的鼠笼式异步电动机，应选用45KW的变频器。投入资金虽然要增加一点，但变频器功率模块承受频繁起动电流冲击的能力及设备的可靠性却大为增加。 3.3 拖动转矩 　　日立J300系列变频器具有无速度传感器矢量控制技术，当变频器有0.5Hz输出时即有150%以上的高起动转矩，保证悬空起动及低速运转时的电机力矩，并可在10：1的速度范围内（6-60Hz/5-50Hz）以100%转矩连续运行。速度调速偏差小于±1%。并利用一个高速微处理器和装备DSP来提高响应速度，在提升设备中对防止“滑落”很有效果，转矩响应时间约0.1秒便可达到100%的转矩。 3.4 能耗制动单元 　　“桥抓”在操作抓斗下落时，变频器将受到较高电势的能量释放过程，为保证变频器不过压跳闸不被击坏，增设能耗制动单元来保证变频器的正常工作。进行制动时放电电阻与电机内部的有功损耗部分结合成制动转矩，大约为电机额定转矩的20%。制动电阻的计算如下； RBO=UC2/0.1047(TB-0.2Tm)n1 (1) 式中：UC——直流回路电压； TB——制动转矩； Tm——电动机额定转矩； n1——开始减速时的速度； 由制动单元和制动电阻构成的放电回路中，其最大电流受制动单元的最大允许电流IC的限制。制动电阻的最小允许值Rmin为： Rmin= UC/IC （2） 因此，制动电阻应满足以下选择范围Rmin < RB < RBO （3） 制动电阻所需功率PBO（KW）计算如下： PBO=0.1047(TB-0.2Tm)（n1 + n2）*10-3/2 （4） 3.5 功能参数 　　变频器调式投用时，功能参数的设置，直接关系到变频器与设备运行工况是否配合恰当的重要环节。比如F2输出额定频率的设定，F6加速时间的设定，F7减速时间的设定，A0转矩控制方式的设定等等。特别是电机参数的测定，均需通过“桥抓”使用过程中结合设备运行情况不断摸索修正。否则，由于某参数设置不合理，也可能使变频器工作不正常或造成电机过热等未能预想的异常情况发生而损坏电气设备。 3.6 运行环境 　　由于变频器应用与桥抓上，工作环境差。如粉尘多，振动大，雨天空气潮湿等。因此，运行中应注意变频器的紧固与防潮以确保变频器的安全运行。 4 应用效果 　　经过多放面调研和技术咨询最终采用日立J300系列矢量控制变频器，对桥抓主吊开、闭两台37KW电机进行变频调速改造，经一年多的运行基本达到预期目标，取得了良好的使用效果，并归纳总结如下： 4.1 由于省去了切换转子电阻CJ12-100A交流接触器、滑环碳刷架、碳刷、串联电阻等电气元件因而大大减化了电气控制线路。不仅节约了电气检修费用并且提高了设备安全稳定可靠性。 4.2 变频调速电机的软起动，避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏，减少了机械维护及检修费用，尤其明显减少了更换钢丝绳的工作量及检修费用。 4.3 最主要的受益体现在设备健康水平提高，根本性地解决了没有频繁故障的老大难问题，提高了设备的运行效率。 4.4 与原桥抓的调速方式相比，由于减少了交流接触器、碳刷、串联电阻等电气元件的能量损耗，一定程度地收益到节电的效果，经测算全年节约各项费用3万多元，预计投资回收期约三年。 （由于“桥抓”的稳定可靠，运行、带来的社会效益和间接效益是无法估计的） 4.5 主令控制器的控制电流大大减小，从而提高了操作的可靠性。 5 结论 　　从以上桥抓变频调速的应用及成效证明：变频技术在桥式抓斗起重设备上的应用技术上是切实可行的，效果也较为显著，基本达到预期目标。相信通过不断总结经验，不断完善改进，变频调速技术在桥式起重机上的开拓应用，必然成为将来发展的方向。