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1、,武 汉 理 工 大 学 胡吉全,2010年4月,变 频 调 速 给 起 重 机 设 计和 使 用 带 来 的 影 响,主要内容：,起重机运行过程中的调速问题 变频调速对起重机设计和使用的影响,一.起重机运行过程中的调速问题,任何起重机的工作机构在运行过程中都会有起动、稳定运行和制动减速等运行状态。这些状态的改变会给起重机的工作带来多方面的影响，如：工作效率、惯性载荷、冲击载荷、稳定性状态等。起重机运行状态的改变是通过调速来实现的。因此起重机的设计和使用者对调速问题一直高度关注。从某种程度讲，起重机的发展史也是调速控制技术的发展史，其工作性能的好坏与调速控制技术息息相关。,一.起重机运行过程中
2、的调速问题,1. 起重机调速状态的现实 起重机调速状态的现实主要有两种方法： 1) 一种是通过改变机械传动系统中的传动比来实现工作机构速度的改变，如采用齿轮变速箱； 2) 另一种就是通过改变机械传动系统中电机的输入转速来实现工作机构速度的改变，这也是现代起重机中最常用的电机调速方法。,一.起重机运行过程中的调速问题,2.电动机的调速方法 现代机电传动系统主要有直流传动系统和交流传动系统。直流传动系统以直流电动机为动力，交流传动系统则以交流电机为动力。直流电机虽不如交流电机结构简单，制造方便，价格便宜，但直流电机具有良好的调速性能，可在很宽范围内平滑调速。其良好的机械特性、较大的起动转矩和过载能
3、力，特别适用于起重机械的工作作业，目前在一些要求特殊的起重机上还仍然使用直流驱动，如电动轮胎起重机等。同时对于一些控制精度要求较高的的场合也广泛使用直流驱动。但对于大功率的机电传动场合，由于直流电获得比较麻烦，目前更多的采用交流电机驱动。,一.起重机运行过程中的调速问题,2.电动机的调速方法 交流电机的调速方式有很多，从异步电机的转速表达式： 看出，可以改变下列三个参数来调节电机的转速。 （1）改变定子绕组的极对数 p，称为变极调速； （2）改变供电电源的频率 f，称为变频调速； （3）改变电机的转差率s，称为变转差率调速。,一.起重机运行过程中的调速问题,2.电动机的调速方法 过去在起重机中
4、使用最多的是变转差率调速，如转子串电阻调速、定子调压调速、滑差电机调速、串级调速等。这些调速方式的共同特点是：调速过程中平均产生的转差率（除串级调速外），都消耗在转子电路中，使转子发热，这些调速方式的经济性比较差。,一.起重机运行过程中的调速问题,3.变频电机的调速原理 变频调速时，希望电动机的过载能力： 保持不变， -称为力矩倍数。 -电机的额定转矩（ ） -电机的最大电磁转矩（ ） 由最大转矩的计算公式可推得当电机的 在变频前后保持不变时，则电压、频率和额定转矩应保持下列关系： 从上式可知对应于下面三种转矩变化情况电压如何随频率的改变而调节。,一.起重机运行过程中的调速问题,3.变频电机的
5、调速原理 （1）调速时转矩不变（恒转矩调速） 希望 = =常数，此时要求 也即 =常数，即电机上的电压必须随频率成正比改变。 （2）调速时输出功率不变（恒功率调速） 希望 ,以便 =常数。于是可得 ，即加到电机上的电压必须随频率的开平方成正比改变。,一.起重机运行过程中的调速问题,3.变频电机的调速原理 （3）调速时转矩随转速的平方成正比变化 希望 ，于是可得 ，即加到电动机上的电压必须随频率的平方成正比。 当调速时，如果电压不变，则调速前后的功率与频率成反比。,一.起重机运行过程中的调速问题,4.变频电机的性能指标及特性 与以上调速状态相对应，变频电动机的主要性能指标为： 变频电机的频率、转
6、矩、电压、功率，有如下关系曲线 ：,额定电压：380V 额定频率：50hz 变频范围：50100hz,最大转矩倍数：大于3 低频起动转矩倍数：大于1.5 效率和功率因数达到非变频电机水平。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,变频调速技术的运用对起重机的设计和使用带来了深远的影响，特别是闭环矢量控制变频器的成功开发，有效解决了位能性负载的变频调速问题，尽管变频调速技术在起重机产品中已使用多年，但仍然有很多需要进一步解的问题。不断总结工作实际，积累更多的使用经验，为变频调速技术在起重机及工业控制中更好地运用是必要的。以下是根据变频调速技术在起重机中多年的使用，总结其对起重机的设计和使用的部分影
7、响。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,1.可以实现起重机吊载在恒功率和恒转矩范围内工作 起重机工作时，最希望能做到重载时低速运行，轻载时高速运行，同时载重状态下工作机构均希望有较大的驱动力矩，轻载时可以采用小的驱动力矩。变频电机的恒功率和恒转矩工作特性正好与起重机工作机构的要求相一致，非常理想地解决了负载、变速和转矩、功率之间的关系问题。 如起升机构在取消机械变速箱的情况下，很方便的实现了在不同工作速度时起吊不同质量，甚至在恒功率调速状实现起吊载荷的无级变化，有效地扩大了起重机的工作范围，大大提高了工作效率。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,2.可提高起重机金属结构富余承载功能的利
8、用 起重机起升机构采用变频调速后，使挖掘和利用起重机及金属结构的富余承载能力成为可能。过去港口常用的装卸起重机额定起重量均为定值，与工作幅度无关。如港口门座起重机MQ1633，一般指全幅度范围内均起吊16t。实际上起重机的起重量与工作幅度紧密相关，工作幅度对起重机的稳定性、轮压、金属结构的受力影响很大。在额定载荷情况下，起重机及金属结构在小幅度时具有很大的富余承载能力。例如我们对MQ1633四连杆门机的金属结构富余承载能力进行过研究,确定起重机的金属材料全部使用Q235，对结构进行整体有限元建模分析计算，在每一个工作幅度将载荷增加到使某一个构件的最大应力达到许用应力，其计算结果如下表：,二.变
9、频调速对起重机设计和使用的影响,门机变幅过程承载能力数据表,起重机承载能力曲线,起重机富余承载能力利用曲线,以上计算结果还必须满足稳定性和轮压允许条件。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,3.可实现位能负载零速状态下制动 起重机的运行制动既是起重机运行减速停车的重要过程，同时也是起重机安全工作的重要环节。在常规控制状况下是通过制动器消耗起重机运行的部分能量实现工作机构的减速停车，故经常会出现制动器的频繁磨损，制动能力下降，特别是起升、变幅等具有位能性负载的工作机构，制动器的损坏更加突出，由此带来安全隐患。按制动器的设计要求，制动力矩的计算公式为： Mz=Mzs+Mzd=Mzs+Mzd1+M
10、zd2 Mzs 制动器需克服的静力矩. Mzd 制动器需要克服的惯性力矩，包括移动质量的惯性力矩和回转质量的惯性力矩。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,3.可实现位能负载零速状态下制动 通过给定制动时间计算制动器所需的制动力矩，取一安全系数后可按此选制动器。采用变频驱动，特别是闭环矢量变频制动控制系统的成功运用，按变频电机的调速性能，可在电机频率为0Hz时保持额定力矩的输出，从而实现零速制动，此时起重机减速时的动能是通过变频器的电制动消耗在制动电阻上，机械制动器仅仅只需克服静力矩，已没有制动过程，其功能转变成停车状态下的安全保护制动。此时制动器的工作环境大大改善，寿命大大延长，安全性也大
11、大提高。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,4.实现了抓斗工作开闭绳载荷的重新分配 起重机抓斗工作时，起升绳和开闭绳在工作工程中并不是均匀分配。抓斗在进行物料挖掘和闭合提升时，开闭绳承受的载荷比起升绳大很多，在没有采用交流变频驱动之前，规范要求闭合机构和支撑机构电机功率应取为总计算功率的66%，当采用交流变频调速或直流调速时，能实时监控并保证抓斗闭合终止时支撑绳与闭合绳载荷准确相等，各机构电机功率可取总计算功率的55%，这样大大地降低了驱动电机功率。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,5.带来起升动载系数计算的改变 起重机的起升动载系数 是一个最重要的系数，起重机实际工作时影响该系数的
12、因素很多，其中最主要的是起重机的调速状态和操作状态。按起重机设计规范给出的计算公式： 与起重机状态级别相对应的起升载荷系数的最小值； 按起升状态级别设定的参数；Vq稳定起升速度（与起升驱动控制和操作方案有关）。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,5.带来起升动载系数计算的改变 如抓斗起重机的起升速度为60/min，按老规范计算公式 ： =1+0.7Vmax， =1.7 按新规范考虑控制方法和操作方法，如采用变频调速，计算公式： =1.2+0.680.5Vqmax， =1.54 二者的差异很大。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,6.带来驱动电机功率和过载能力计算的改变 如果采用变频调速
13、，电机的输出功率在恒定功率频率段和恒定转矩频率段是不同的，当频率降到50Hz以下时，电机工作在恒定转矩状态，此时电机功率的损失与频率的减少成正比。国产电机正常工作时的频率一般在20Hz以上可以保证转矩的稳定，20Hz以下主要用于调速状态。电机在50Hz以上频率段运行时，电机工作在恒定功率状态，尽管功率不变，但输出扭矩是随频率的增大而减小的，要注意最小扭矩的校核。国产电机的最高稳定运行工作频率一般不应该超过80Hz。调频状态下的电机最高转速要考虑减速机高速轴的许用输入转速和制动轮、联轴器的惯性等的影响。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,6.带来驱动电机功率和过载能力计算的改变 电动机的过载
14、能力与过载能力系数和电机的转矩倍数有关，能力系数H越小，转矩倍数T越大，则电机的过载能力越强。直流电机的过载能力最强，其次是变频电机、绕线转子异步和笼型异步电机。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,7.带来起重机工作机构运行冲击状态的良好改善 起重机是一种频繁起、制动和变速运行的机械、冲击和加、减速的惯性载荷对机械传动系统和金属结构的影响很大，这也是起重机动力学研究被高度重视的原因。起重机的动力学问题实际上是一个调速问题，电动机良好的调速性能会大大改善起重机运行的振动和冲击。变频调速是一种相对高精度的调速方式，带来的效果就是使起重机的平稳性大大改善，起重机传动机构中大量采用齿轮传动，除减速
15、箱为齿轮闭式传动外，还大量使用开式齿轮传动，只要采用齿轮传动就一定会有间隙，也就会有冲击和振动。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,7.带来起重机工作机构运行冲击状态的良好改善 过去港口门座起重机的齿条变幅机构就存在冲击的问题，曾采取了很多措施，先是在齿条与臂架连接处安装缓冲器，以后又改用涡流制动器调速，甚至还有改用螺杆变幅的，现在采用变频调速，一切问题都解决了，通过闭环控制也解决了位能性负载问题。回转变频也是有效解决回转机构由于起、制动造成回转减速箱断轴的手段，包括具有开式传动的运行机构的冲击和振动。,二.变频调速对起重机设计和使用的影响,8.带来起重机金属结构工作状态的良好改善 起重机金属结构在使用过程中的损坏，除了疲劳因素外，动态载荷的作用也是主要原因之一。由于港口起重机工作时速度高、载重大，会产生很大的冲击和动载荷。起重机金属结构的焊缝开裂和构件失效更多是由于振动和冲击载荷造成的。变频驱动可以实现起动和制动过程的无级调速，降低振动和冲击载荷的峰值，有效减少了焊缝开裂。在起重机金属结构的设计中，结构冲击系数可视驱动方式的不同合理选取，这样可充分利用材料的承载能力进行结构件的更合理设计。,谢 谢 ！,