張冰輝 譚曉樂 常艷珍

洛陽欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司 河南洛陽 471500

1 變頻器的概念

變頻器是電能控制裝置的一種，利用半導(dǎo)體器件的通斷功能，能夠?qū)ゎl電源向其他頻率電源進(jìn)行轉(zhuǎn)化。變頻器通常由整流（交流變直流）、制動(dòng)單元、逆變（直流變交流）、濾波、微處理、檢測以及驅(qū)動(dòng)等單元組合而成的[1]。其作用主要是將50 或60Hz 的工頻電源轉(zhuǎn)化為可控的、各頻率的交流電源，以滿足電機(jī)的變速運(yùn)行的需求。

2 變頻調(diào)速的原理

電動(dòng)機(jī)分為同步電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)，它們的轉(zhuǎn)速n 公式為：

n=60f（1-s）/p（同步電動(dòng)機(jī)）

式中：F 為頻率；P 為極對(duì)數(shù)；S 為轉(zhuǎn)差率（0-3% 或0-6%）。

轉(zhuǎn)速公式可說明，通過將三相交流電電頻f 進(jìn)行變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n 便也會(huì)發(fā)生變化，這要比變化轉(zhuǎn)差率s 以及極對(duì)數(shù)P 要更加簡單方便。變頻器便通過此原理對(duì)電動(dòng)機(jī)輸入電源頻率進(jìn)行變動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

3 變頻器的特點(diǎn)

（1）通過變頻調(diào)速這種方法，能夠簡便的控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。僅需將變頻器內(nèi)部的逆變管開關(guān)順序進(jìn)行變化，即可實(shí)現(xiàn)輸出換向，從而降低換向不當(dāng)燒壞電機(jī)的概率。

（2）變頻調(diào)速系統(tǒng)大多從小頻率低轉(zhuǎn)速啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間和加減速時(shí)間可任意設(shè)置，因此加減速時(shí)間平緩，沖擊電流小，進(jìn)行較高頻率的啟動(dòng)和停止是完全可行的。

（3）變頻器在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，可以將這個(gè)過程產(chǎn)生的能量通過制動(dòng)回路內(nèi)的電阻消耗掉，也可用于回饋給供電電網(wǎng)，制動(dòng)效果好、耗電少、溫度低、節(jié)能好。

（4）良好的調(diào)速性能，可以獲得低、中、高速恒轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)速，由于起動(dòng)、制動(dòng)快、平穩(wěn)，所以對(duì)傳動(dòng)部件的沖擊也會(huì)減小，這對(duì)延長部件乃至整機(jī)的壽命具有重要意義。

（5）變頻器本身具有過電流、過電壓、過負(fù)荷欠電壓、瞬時(shí)停電以及接地等保護(hù)作用，可以準(zhǔn)確有效的監(jiān)控負(fù)載的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)是否正常，從而降低負(fù)載故障率。

（6）變頻器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)字化控制和智能化控制，使工藝生產(chǎn)水平和產(chǎn)品質(zhì)量大幅提高和改善。

4 變頻器的主電路

主電路包含濾波、整流、逆變、限流以及制動(dòng)電路等。

整流電路：主要是將三相交流電向脈動(dòng)直流電整流。

濾波電路：主要是將脈動(dòng)直流電采用濾波元件進(jìn)行濾除，使平穩(wěn)直流電得以保留。

限流電路：限制交流電源接入時(shí)的充電電流，從而保護(hù)整流元件。

制動(dòng)電路：變頻器電動(dòng)機(jī)負(fù)載在進(jìn)行制動(dòng)的過程中，通常會(huì)形成較多的再生能量，可將這些再生能量儲(chǔ)存到電力電容器之中，并將其向電網(wǎng)回饋。如果再生能量比較大的情況下，可通過直流回路之中設(shè)置的制動(dòng)電阻來將此能量進(jìn)行吸收.

逆變電路：它通過逆變器元件的定期關(guān)斷和開通，從而獲得任何頻率三相交流電的輸出。

5 起重設(shè)備現(xiàn)況及發(fā)展趨勢

社會(huì)的發(fā)展讓工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大的同時(shí)也讓生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高，引起物料搬運(yùn)和裝卸成本的費(fèi)用越來越高，起重量也不斷增加，運(yùn)用速度也在逐漸增速，這便對(duì)其可靠性以及能耗提出了更高、更嚴(yán)格的要求。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，起重機(jī)所發(fā)揮的作用已不可替代因此，對(duì)起重機(jī)的要求不僅要在操作方面實(shí)現(xiàn)簡單化，減少故障、便于維修，而且還需要在安全性及可靠性方面得以保障，，在具有優(yōu)良的耐久性的同時(shí)，其使用經(jīng)濟(jì)。電氣控制傳動(dòng)的優(yōu)化是起重機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)展和技術(shù)更新的重點(diǎn)因素。

圖1 變頻器原理圖

新一代的起重機(jī)集大型、高效等特點(diǎn)于一身，起重機(jī)的電氣控制裝置已經(jīng)發(fā)生了重大演變，當(dāng)前使用的全電子數(shù)字控制系統(tǒng)便是其演變結(jié)果。此系統(tǒng)主要是由可編程控制器、全數(shù)字控制驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字化操縱監(jiān)測裝置、故障診斷系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成，當(dāng)前諸如三維條碼技術(shù)、感應(yīng)防碰技術(shù)、故障自診監(jiān)控技術(shù)等均已得到推廣應(yīng)用。電氣傳動(dòng)裝置主要是以微處理機(jī)為核心，在傳統(tǒng)起重機(jī)的應(yīng)用過程中，具有靜動(dòng)特性差、調(diào)速慢等缺陷，而通過此裝置能夠使這些缺陷得到改善，并且還具備可操作的自動(dòng)記錄、控制和顯示的功能，起重機(jī)在運(yùn)行過程中，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測與保護(hù)，在遠(yuǎn)距離的條件下，還具備遙控等功能，能夠?qū)ψ詣?dòng)化實(shí)踐生產(chǎn)過程中的需求進(jìn)行全面滿足。作為工業(yè)自動(dòng)化不可缺少的一部分，變頻器在升降設(shè)備的應(yīng)用中可以發(fā)揮更重要的作用。

起重設(shè)備的電氣控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改變了以往的串聯(lián)電阻調(diào)速、電接觸器控制以及直流調(diào)速三個(gè)系統(tǒng)，經(jīng)過發(fā)展，現(xiàn)已成為直流晶閘管調(diào)速裝置以及交流定子調(diào)壓裝置。除此之外，在高速重載降低的情況下，一般以拖拽和第三方制動(dòng)來確保重載不會(huì)發(fā)生溜鉤問題，此制動(dòng)方式一般包含渦流、能耗、單相以及低頻發(fā)電機(jī)電機(jī)制動(dòng)等。從能量利用角度來看，上述方式均需耗費(fèi)較多能量來實(shí)現(xiàn)降能和制動(dòng)；從電動(dòng)機(jī)保護(hù)角度來看，單相以及能耗兩種制動(dòng)方式需要將不平衡電流和直流電流注入到電動(dòng)機(jī)中，在對(duì)其頻繁使用時(shí)，一般會(huì)造成電動(dòng)機(jī)升溫，并使電動(dòng)機(jī)絕緣層出現(xiàn)的損壞加快，還會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)老化速度加快；因制動(dòng)沖擊力產(chǎn)生的作用，會(huì)造成振動(dòng)更加嚴(yán)重，機(jī)械疲勞程度增加。

二十世紀(jì)八十年代后，工業(yè)的發(fā)展在變頻器領(lǐng)域掀起了巨大的變革，變頻器也進(jìn)入起重機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，引起了人們的注意，引發(fā)業(yè)內(nèi)的高度重視。它克服了以往驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)普遍存在的缺點(diǎn)，可靠性明顯提高，節(jié)能效果顯著，在粉塵或振動(dòng)較大的惡略環(huán)境中也能良好的適應(yīng)，所以在起重機(jī)上可應(yīng)用異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)。

6 采用變頻器的必要性

（1）就起重機(jī)自身而言，現(xiàn)有的繞線式異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案大多基于轉(zhuǎn)子的串聯(lián)電阻有級(jí)調(diào)速，但目前所存在的問題是起動(dòng)電流過大，設(shè)備受到嚴(yán)重沖擊，導(dǎo)致機(jī)械部件因發(fā)熱而損壞，縮短了正常使用周期[2]。

（2）起重機(jī)通常選擇使用直流調(diào)壓調(diào)速方案，雖然具有平滑無級(jí)調(diào)速及軟起動(dòng)的特性，但由于此方案存在后期大量的維護(hù)工作、電動(dòng)機(jī)自身成本費(fèi)用較高、占地面積過大等缺陷，在具體應(yīng)用過程中，比不上經(jīng)久耐用的交流電動(dòng)機(jī)。

（3）變頻器在節(jié)能上具有明顯的效果。

（4）變頻器聯(lián)合PLC 控制能夠使自診斷功能和保護(hù)功能更為完善，也提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

7 變頻器應(yīng)用實(shí)例

7.1 橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速改造

橋式起重機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)的起重機(jī)械，某工廠原有的架修庫32T 橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)使用繞線式異步電動(dòng)機(jī)，通過繼電器- 接觸器以及凸輪控制器來對(duì)串電組數(shù)量進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，該控制系統(tǒng)是通過能耗的方式來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差調(diào)速的，但也存在如下問題：

（1）能量消耗大，機(jī)械效率低，速度調(diào)節(jié)局限。

（2）繼電器- 接觸器控制系統(tǒng)若在切換使用方面比較頻繁，會(huì)導(dǎo)致沖擊電流過大的現(xiàn)象發(fā)生，從而會(huì)造成接觸器的觸頭發(fā)生磨損，還可能造成電刷冒火、轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)串聯(lián)電阻斷裂燒損等嚴(yán)重故障[3]。

（3）調(diào)速平滑性差會(huì)造成機(jī)械沖擊發(fā)生，從而導(dǎo)致聯(lián)軸器、減速機(jī)以及鋼絲繩等構(gòu)件降低使用壽命。

（4）系統(tǒng)抱閘會(huì)使制動(dòng)器磨損情況加重。

為了促進(jìn)以上問題得到合理解決，應(yīng)該將32t 橋式起重機(jī)的吊鉤提升系統(tǒng)以及大小車拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施變頻改造，從而提升其操作性能，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)故障率更低。

7.2 變頻政造方案如下

使用到的設(shè)備：主要通過電氣傳動(dòng)系統(tǒng)來完成，具體包括：大車電動(dòng)機(jī)2 臺(tái)、32T 大鉤提升電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)、小車電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)、5t小鉤提升電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)。

改造思路：負(fù)載電動(dòng)機(jī)采用4 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)、無級(jí)調(diào)速。橋式起重機(jī)變頻改造主電路原理如圖6-62 所示。除原電機(jī)和凸輪控制器之外，在進(jìn)行改造的過程中，各繼電器、控制柜以及接觸器均被取消，其中，變頻器為芬蘭VACON 變頻器，該變頻器專門用于起重。

電動(dòng)機(jī)抱閘制動(dòng)主要是在變頻器直流回路之中將制動(dòng)電阻接入的方式來實(shí)現(xiàn)的，可將運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的小車、大車以及吊鉤的速度降低到0。由于吊鉤懸掛的物體一般會(huì)在空中滯留，變頻器即便可將物體實(shí)現(xiàn)停止，但是也會(huì)非常容易受外界因素干擾，所以一定要通過電磁制動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)同步機(jī)械制動(dòng)。

控制的要點(diǎn)包括以下兩點(diǎn)：①吊鉤電機(jī)停止方面所需掌握的控制要點(diǎn)：需要對(duì)電機(jī)停止頻率值進(jìn)行設(shè)置，并且還需要保證維持時(shí)間應(yīng)該比制動(dòng)電磁鐵抱閘時(shí)間大，當(dāng)變頻器頻率降低至設(shè)定值的情況下，變頻器會(huì)將斷電信號(hào)輸出，在這種情況下，所設(shè)置的頻率值應(yīng)該持續(xù)一定時(shí)間. 然后變頻器的工作頻率會(huì)降低到0；②起吊物升降應(yīng)掌握的控制要點(diǎn)：需要對(duì)檢測電流時(shí)間以及升降起始頻率值進(jìn)行設(shè)定，當(dāng)變頻器能夠達(dá)到升降起始頻率的情況下，變頻器便開始對(duì)電流進(jìn)行檢測，同時(shí)還會(huì)確認(rèn)電流大小是否合適，從而形成扭矩來對(duì)下降扭矩進(jìn)行抵消，然后開始對(duì)制動(dòng)電磁鐵進(jìn)行充電，同時(shí)會(huì)將制動(dòng)器松開。檢測電流所用時(shí)間應(yīng)該比電磁鐵釋放時(shí)間要長[4]。

圖2 橋式起重機(jī)變頻改造主電路原理

7.3 改造后主要效果如下

（1）起動(dòng)和制動(dòng)過程以及在人為加速、減速的干預(yù)和控制下，橋式起重機(jī)具備更平穩(wěn)，定位更準(zhǔn)確的特點(diǎn)，同時(shí)最大限度的減少了負(fù)載波動(dòng)，安全性得以整體大幅提高。

（2）電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行開關(guān)裝置屬于非接觸式器件，它有著接觸式開關(guān)不具備的半永久性壽命的特點(diǎn)。

（3）改造后的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流小，即使電動(dòng)機(jī)多次起動(dòng)和停止，也不會(huì)引起電動(dòng)機(jī)熱耗增多，從而延長了電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

（4）抱閘低速動(dòng)作情況下，損耗率很小，保養(yǎng)的難題有效解決。

通過實(shí)踐可以證明，通過變頻器對(duì)橋式起重機(jī)運(yùn)行進(jìn)行控制具有一定的可行性，并且還能夠使運(yùn)行可靠性得到提升。

8 結(jié)語

伴隨變頻器持續(xù)更新，并在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，起重設(shè)備在其自動(dòng)控制方面更離不開變頻器的應(yīng)用，各類專用變頻器及通用變頻器也在向輕型化和智能化發(fā)展，起重設(shè)備的遠(yuǎn)程操控及集中化控制更離不開變頻器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用。