谈基于位能负载的变频调速系统设计

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　　摘要：本文分析了位能负载的物理特性，控计了提升机械变频调速系统的设计思想和分析计算方法，对变频设备的合理选用进行了研究.

　　关键词：提升机　变频调速　制动

　　一、概述：

　　物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备，在各工矿企业中大量使用，如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等，都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下放重物，具有典型的位能负载特性。

　　由于启动及调速成等方面的需要，通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻，从而降低电机启动电流，并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：

　　1、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。

　　2、电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。

　　3、再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。

　　4、接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。

　　5、绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备事故。

　　随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等软件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能行到极大提高。

　　二、位能负载的调速特性

　　提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，其调速特性如图一和图二所示。

　　图一　转子回路串电阻的调速特性　　　　　　　　　　图二　交流变频调速特性

　　如图所示，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点1和工作点2为电动状态，工作点3为能耗制动状态，工作点4为再生发电机状态。

　　变频调速特性为一组平行的曲线，同于变频器的频率可以连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图二中1区为电动区，2区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。

　　三、变频器的容量选择

　　提升机械采用变频器进行控制时，可以迁用鼠笼型电动机，对于原使用绕线式电动机的提升机械，可将绕线式电动机的转子短接，当作笼型电机使用。常用的电动机为YZ系列鼠笼型电动机和YZR系列绕线型电动机，这两个系列的电动机，都是以工作制S3及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。

　　YZ和YZR系列电动机的过载力矩一般为2.2-2.8倍，为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用变频器进行控制后，必须保证变频器-电动机系统具有2.2-2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟，瞬态过载力矩只能达到180%-200%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器-电动机系统的瞬时过载能力。

　　由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器-电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0-2.4倍，基本满足要求。因此，应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机，应配置55KW的变频器，且变频器应具有较大的过载能力，过载率在150%一分钟以上。

　　四、制动组件的合理选用

　　如图三所示，再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果将使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值(如750V)，制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电坟开始下降，当它下降到某一设一值(如630V)，则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。

　　由上述可知，选择制动组件的基本原则是：

　　1、制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。

　　2、制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。

　　通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。

　　以工矿企业常用的行吊为例，说明制动组件的选取方法。

　　图三　　变频系统示意图

　　图四是一个典型的行吊作业速度图。行吊在某个地点以速度N1提升重物，平移到另一个地点，然后以速度N1下放重物，再回到原地继续作业，如此往复。设工作周期为T，在下放重物时电动机再生发电，持续时间为Tb，重物在电动机轴上形成的负载转矩为Mz，机械效率为η，则：

　　最大瞬时回馈能量pm=ηMzN1

　　制动时间Tb内的平均回馈能量Pb=ηMzN1

　　周期T内的平均回馈能量Pa=ηMzN1Tb/T

　　按下弄算法选取组件的额定参数：

　　1、放电开关管额定电流Ibe

　　Ibe>Pm/750

　　按正常过载条件Mz=1.5Me,N1=Ne来考虑，取Ibe>1.5ηMzNe/750=1.5ηPe/750

　　其中，Me、Ne、Pe分别为电动机的额定转矩、额定转速和额定功率。

　　2、制动电阻值Rb

　　Rb≈(750-800)/Ibe(Ω)

　　3、制动电阻额定功率Pbe

　　制动电阻的允许过载系数K是时间的函数，其典型的特性曲线如图五所示。

　　由Pb=ηMzN1=ηPe(MzN1/MeNe)

　　Pa=ηMzN1Tb/T=ηPe(Tb/TXMzN1/MeNe)

　　令K1=MzN1/MeNe,制为制动负载系数K2=Tb/T,称为制率，则Pb=ηK1Pe 　Pa=ηK1K2Pe

　　根据实际工况计算出Pa和Pb,并从制动电阻特性曲线查出与Tb对应的过载系数Kb(以40℃的环境温度为标准)，同时考虑一定的安全容量，选取Pbe>1.2Max(Pb/Kb,Pa)

　　五、调速控制方法

　　采用变频调速控制的提升机械仍可使用传统的速度控制方法，如行吊的速度控制，仍使用传统的凸轮控制器，不同的档位给出了上升或下降方向指令和多级速度指令，输入到变频器的控制端，实现方向控制和调速。现在已有行吊变频专用控制器推出，应用它可以简化控制系统设计，减少故障点。

　　变频调速器还可提供更为先是的闭环控制方法，如配合工艺实现提升和下降的不同速度运行等。某钢铁厂轧机升降台采用变频传动，为了实现电动机与液硬度平衡机构的协调控制，应用先进的控制技术实现了不同平衡力矩下的变速控制，在不增加变频器容量的情况下解决了液硬度平衡系统的冷起动问题。

　　六、结束语

　　位能负载条件下的变频调速系统设计必须以实际负载情况为依据，才能达到节省投资的目的。电动机、变频器、制动组件的合理匹配是设计的关键。本设计方法应用于天车、塔吊、轧机升降台等多个变频改造项目中，收到了良好的效果。广州钢铁集团公司连轧厂20t天车变频改造，由于设计合理，既节省了投资，又保证了天车的基本运行性能，设备投入运行一年多，情况良好，未发生任何故障。