变频调速技术原理及在塔式起重机中的应用

1、变频调速技术原理及其在塔式起重机中的应用1.塔式起重机常见调速方式2.变频调速原理3.变频器的基础知识4.变频调速在塔机应用中需要注意的问题5.基于通讯的塔机变频调速系统1.塔式起重机常见调速方式(1通过选择多极电机进行调速如QTZ40塔机起升机构常用4/8/24或4/8/32极电机,对应的起升机构会有对应的3种运行速度。多极电机由于受空间位置的制约,所以磁极数量不可能太多,磁极数量的增多会带来电机效率的降低和成本的上升,一般来讲,4/8/32极电机会比4/8/24电机贵一些。(2通过增大能量损耗来获取调速性能如QTZ63以上型号塔机的起升机构一般选取绕线转子异步电动机,通过向电机转子回路串入

2、不同的电阻,从而增加能耗来进行调速。因为电机输入能量一定的前提下,串入电阻越大,发热越多,用来拖动负载转动的能量越少,电机输出转速就越低。(3变频调速通过改变进入电机的电流频率进行调速。2.变频调速原理2.1异步电动机的旋转原理异步电动机主要由三部分组成:1.磁路部分;2.电路部分;3.机械部分。磁路部分主要由定子和转子铁心构成,电路部分主要由定子和转子绕组构成,机械部分主要有机座、轴承等构成。电动机通电后,其定子会产生一个合成磁场,合成磁场会根据定子部件铁心的分布以及通入电流的频率进行旋转。这个磁场的旋转速度通常称同步转速,同步转速由下式决定:n=60f/po式中:f电流的频率;p旋转磁场的

3、磁极对数。电磁转矩的方向由于合成磁场的旋转,从而使电机转子的绕组被动切割磁力线产生感应电流,又因磁场会对载流导体产生电磁力,所以在电磁力的作用下,转子会“随着”定子磁场旋转起来。转子的转速nm 低于定子磁场的转速n o ,转子的转速n m 我们称之谓“异步”转速。2.2异步电动机的调速由n=60f/p分析可知,异步电动机的转速n0与电流频率f成正比,与电机磁极对数成反比,所以改变同步转速的方法有2种。2.2.1改变磁极对数p定子磁场的磁极对数取决于定子绕组的结构布置。一般来讲,电机上标注的xx极,比如4/8/32极,是指定子的磁极数,该数值除2即为磁极对数,假设电流频率f=50HZ,则4/8/

4、32极电机有3个转速:=60×50÷2=1500r/min;4 极p=2 n8 极p=4 n=60×50÷4=750r/min;=60×50÷16=187.5r/min32 极p=16 n则对应电机输出转速n(异步转速略小于同步转速,比如4极电机输出转速一般是1440r/min。2.2.2改变接入电流频率f一般只要选定一款电机则其定子磁场的磁极对数是一个常数p,只要改变接入电流频率f即可达到调速的目的。这就是我们常说的变频调速。那么如何才能改变电流的频率呢?3.变频器的基础知识3.1变频器的类别变频器的分类方式很多,可以按“变频环节分

5、”,也可以按“电压的调制方式分”,也可以按“直流环节的储能方式分”。在此我们重点讲述变换环节为“交-直-交”。电压调制方式为pwm(脉宽调制。直流环节的储能元件是电容器的变频器。3.2交-直-交变频器的主电路交-直-交变频器的主电路如下图:交直变换能耗电路直交变换3.2.1交-直部分整流管VD1-VD6组成一个三相整流桥,三相电经全波整流输出直流电,其平均电压是UD=1.35UL=1.35*380=530V。滤波电容cf的主要作用是:一方面滤平全波整流后的电压纹波;另一方面是当负载变化时,使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制,滤波电路通常由若干个电容器并联成一组,又有两

6、个电容组串联而成,如上图中的cf1和cf2,又因为电解电容器的电容量有较大的离散性,所以cf1和cf2的电容量常不完全相等,导致分配在其上的电压不相等。为了使其分配电压相等,在cf1和cf2 旁各并联一个阻值交直变换能耗电路直交变换RL我们称之为限流电阻。当变频器接通电源的瞬间,滤波电容器CF的充电电流很大,过大电流有可能击穿三相整流桥的二极管,所以变频器刚接通电源后的一段时间里,令电路内串入电阻RL以起到限流的作用,而当电容Cf充电到一定程度后,另SL接通,这样RL将被短路掉,不再起作用。电源指示灯HL有2个作用,一方面表示电源是否接通,另一方面表示在变频器切断电源后,CF电容器上的电荷是否

7、已经释放完毕。交直变换能耗电路直交变换3.2.2直-交部分逆变管v1-v6组成逆变桥,所谓“逆变”就是将直流电变成交流电。逆变后的交流电三相之间相位互差2/3。电压振幅与直流电相等,都是513v。逆变后的电流频率跟随控制信号的变化周期变化。所以控制改变逆变管控制信号的频率就会得到相应的电流频率从而实现变频调速。交直变换能耗电路直交变换VD7VD12是续流二极管,其主要功能有:电动机的绕组是电感性的,其电流具有无功分量,通过VD7VD12提供返回直流电源时的“通道”。当电动机处于再生制动状态时,为再生电流提供返回“通道”。V1-V6进行逆变工作时,同一桥臂的两个逆变管不停交替导通和截止。在导通截

8、止的换相过程中,也需要VD7-VD12提供电流“通道”。交直变换能耗电路直交变换3.2.3能耗电路能耗电路由2部分构成,1.制动电阻RB,2.制动单元VB。制动电阻RB一般功率较大,接触过变频系统的人都知道RB一般是外接的,其主要作用就是当电动机处于再生制动状态时,再生电流会导致UD不断上升,超过一定程度就会损坏变频器。所以必须将再生到直流电路的能量消耗掉,以使UD保持在许可范围内。交直变换能耗电路直交变换制动单元VB相当于一个由程序控制的电子开关,其功能是当再生电流产生时接通回路。以变再生电流流经制动电阻RB。可见,只要按照一定的规律来控制六个逆变管的导通和截止,就可以把直流电逆变成三相交流

9、电。逆变后的电流频率,可以在上述导通规律不变的前提下,通过改变控制信号的变化周期来改变。4.变频调速在塔机应用中需要注意的问题回避频率塔机在运行时会产生机械振动,其振动频率和机构运行速度有关。有可能出现在某一转速或某几个转速下,出现机械振动频率和其固有频率发生谐振的情形,导致塔机不能正常运行,甚至损坏。所以为了避免机械谐振的发生,必须使拖动系统“回避”可能引起谐振的转速,对应的工作频率就是回避频率。起升机构上升时溜钩问题起升机构负载上升起动时,若处理不当会引起溜钩现象,特别是空中制动后再次提升时更容易发生溜钩现象。为避免溜钩现象的产生一般从两个方面着手。一是适当加大起动工作频率。就是说当控制信

10、号X 低于给定信号Xs 时,变频器的工作频率为0,电动机未工作时,其转矩足以提升载荷;另一方面当X 达到Xs 时,延时一段时间比如0.6秒后再打开制动抱闸,这样可有效避免溜钩问题。···································

11、···········第五届山东富友塔机设计生产与使用管理技术交流会变频器突然停电处理变频器突然断电时往往会迅速烧坏其逆变电路,同时引起动机过电流,所以突然断电时,或者按下急停按钮时,必须控制电路立即停止向变频器输出信号,使变频器先停止工作。变频器散热变频器工作时会发热,导致变频器内部温度升高而损坏,所以安装变频器的空间要保证良好的通风散热。············&

12、#183;·································第五届山东富友塔机设计生产与使用管理技术交流会············&#

13、183;·········· ······················· 5.基于通讯的塔机变频调速系统 5.1常规变频系统的构成及工作原理 常规变频系统，一般包括变频器、制动电阻、PLC可编程控制器、 PLC信号输入扩展模块、PLC信号输出扩展模块、联动台、限位器

14、等。 其工作原理是：限位器各开关，联动台各档位开关等接入PLC可 编程控制器及其输入扩展模块，然后对PLC进行编程，利用PLC可编程 控制器及其输出扩展模块驱动多个中间继电器，将中间继电器的对应 第五届山东富友塔机设计 生产与使用管理技术交流会 触点接入相应变频器的控制端子，并根据接入情况对变频器进行设置， 这样就可以正常控制变频机构的运行。 常规变频系统由于器件众多，要求组装人员的专业水准较高，特 别是当系统的某一环节出现问题时，排查问题难度更大，器件的众多 也无疑会导致系统稳定性下降。 下一页 ········

15、··············· ······················· 限位器、联动台等信号接入 PLC PLC 输入扩展模块 PLC 输出扩展模块 中间继电器逻辑输出 起升变频器 回转变频器 变幅变频器 制动电

16、阻 制动电阻 制动电阻 第五届山东富友塔机设计 生产与使用管理技术交流会 常规变频控制系统示意图 针对这一问题，山东富友公司目前正在研究开发基于通信的变频 系统，一般变频器都内置对外的通信端口，可以利用单片机系统根据 变频器生产商提供的通讯协议（即通信规划）进行编程控制。 下一页 ······················· ···&#

17、183;··················· 5.2基于通讯的变频系统的构成及工作原理 其工作原理是：联动台的操纵手柄分别带动起升、回转、变幅3 第五届山东富友塔机设计 生产与使用管理技术交流会 个光电旋转编码器，操纵手柄处于不同的位置时编码器会将手柄的位 置编码传递给单片机，同时高度、幅度、回转等限位器亦利用光电旋 转编码器组成，它们亦会将适时信号传送给单片机，通过单片机运算 后发送控制指令给变频器，同

18、时单片机会定时读取变频器的反馈信息， 包含工作信息和故障信息，将这些信息显示在显示屏上，而且变频器 都提供转矩值，由此可测出起升载荷的重量，这样在完成通信变频的 同时又实现了黑匣子的功能。整个系统完全处于弱电工作之下，可靠 性大大提升，性能大大提高。变频器自身提供过流、过压、及断错相 保护，利用单片机可以充分挖掘变频器的集成功能，成本大幅降低， 系统调试（含限位器调试）只需一人，一刻钟，在驾驶室内调试完成。 下一页 ······················· ····