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）、制動單元、逆變（直流變交流）、濾波、微處理、檢測以及驅(qū)動等單元組合而成的[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)的變速運行的需求。

2 變頻調(diào)速的原理

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

n=60f（1-s）/p（同步電動機(jī)）

式中：F 為頻率；P 為極對數(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，電動機(jī)轉(zhuǎn)速n 便也會發(fā)生變化，這要比變化轉(zhuǎn)差率s 以及極對數(shù)P 要更加簡單方便。變頻器便通過此原理對電動機(jī)輸入電源頻率進(jìn)行變動，從而實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速改變。

3 變頻器的特點

（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，啟動時間和加減速時間可任意設(shè)置，因此加減速時間平緩，沖擊電流小，進(jìn)行較高頻率的啟動和停止是完全可行的。

（3）變頻器在進(jìn)行制動時，可以將這個過程產(chǎn)生的能量通過制動回路內(nèi)的電阻消耗掉，也可用于回饋給供電電網(wǎng)，制動效果好、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、制動快、平穩(wěn)，所以對傳動部件的沖擊也會減小，這對延長部件乃至整機(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)載的各項運行參數(shù)是否正常，從而降低負(fù)載故障率。

（6）變頻器可實現(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、限流以及制動電路等。

整流電路：主要是將三相交流電向脈動直流電整流。

濾波電路：主要是將脈動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的充電電流，從而保護(hù)整流元件。

制動電路：變頻器電動機(jī)負(fù)載在進(jìn)行制動的過程中，通常會形成較多的再生能量，可將這些再生能量儲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

社會的發(fā)展讓工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大的同時也讓生產(chǎn)效率進(jìn)一步提高，引起物料搬運和裝卸成本的費用越來越高，起重量也不斷增加，運用速度也在逐漸增速，這便對其可靠性以及能耗提出了更高、更嚴(yán)格的要求。在自動化生產(chǎn)中，起重機(jī)所發(fā)揮的作用已不可替代因此，對起重機(jī)的要求不僅要在操作方面實現(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，其使用經(jīng)濟(jì)。電氣控制傳動的優(yōu)化是起重機(jī)實現(xiàn)發(fā)展和技術(shù)更新的重點因素。

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記錄、控制和顯示的功能，起重機(jī)在運行過程中，還能夠?qū)崿F(xiàn)自動檢測與保護(hù)，在遠(yuǎn)距離的條件下，還具備遙控等功能，能夠?qū)ψ詣踊瘜嵺`生產(chǎn)過程中的需求進(jìn)行全面滿足。作為工業(yè)自動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來確保重載不會發(fā)生溜鉤問題，此制動方式一般包含渦流、能耗、單相以及低頻發(fā)電機(jī)電機(jī)制動等。從能量利用角度來看，上述方式均需耗費較多能量來實現(xiàn)降能和制動；從電動機(jī)保護(hù)角度來看，單相以及能耗兩種制動方式需要將不平衡電流和直流電流注入到電動機(jī)中，在對其頻繁使用時，一般會造成電動機(jī)升溫，并使電動機(jī)絕緣層出現(xiàn)的損壞加快，還會導(dǎo)致電動機(jī)老化速度加快；因制動沖擊力產(chǎn)生的作用，會造成振動更加嚴(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)動系統(tǒng)普遍存在的缺點，可靠性明顯提高，節(jié)能效果顯著，在粉塵或振動較大的惡略環(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機(jī)調(diào)速方案大多基于轉(zhuǎn)子的串聯(lián)電阻有級調(diào)速，但目前所存在的問題是起動電流過大，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，雖然具有平滑無級調(diào)速及軟起動的特性，但由于此方案存在后期大量的維護(hù)工作、電動機(jī)自身成本費用較高、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)拖動系統(tǒng)使用繞線式異步電動機(jī)，通過繼電器- 接觸器以及凸輪控制器來對串電組數(shù)量進(jìn)行控制來實現(xiàn)有級調(diào)速，該控制系統(tǒng)是通過能耗的方式來實現(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，會導(dǎo)致沖擊電流過大的現(xiàn)象發(fā)生，從而會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)抱閘會使制動器磨損情況加重。

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)以及大小車拖動系統(tǒng)實施變頻改造，從而提升其操作性能，設(shè)備運轉(zhuǎn)時故障率更低。

7.2 變頻政造方案如下

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

改造思路：負(fù)載電動機(jī)采用4 臺變頻器驅(qū)動，實現(xiàn)重載起動、無級調(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。

電動機(jī)抱閘制動主要是在變頻器直流回路之中將制動電阻接入的方式來實現(xiàn)的，可將運動狀態(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在空中滯留，變頻器即便可將物體實現(xiàn)停止，但是也會非常容易受外界因素干擾，所以一定要通過電磁制動器來實現(xiàn)同步機(jī)械制動。

控制的要點包括以下兩點：①吊鉤電機(jī)停止方面所需掌握的控制要點：需要對電機(jī)停止頻率值進(jìn)行設(shè)置，并且還需要保證維持時間應(yīng)該比制動電磁鐵抱閘時間大，當(dāng)變頻器頻率降低至設(shè)定值的情況下，變頻器會將斷電信號輸出，在這種情況下，所設(shè)置的頻率值應(yīng)該持續(xù)一定時間. 然后變頻器的工作頻率會降低到0；②起吊物升降應(yīng)掌握的控制要點：需要對檢測電流時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，變頻器便開始對電流進(jìn)行檢測，同時還會確認(rèn)電流大小是否合適，從而形成扭矩來對下降扭矩進(jìn)行抵消，然后開始對制動電磁鐵進(jìn)行充電，同時會將制動器松開。檢測電流所用時間應(yīng)該比電磁鐵釋放時間要長[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）起動和制動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，同時最大限度的減少了負(fù)載波動，安全性得以整體大幅提高。

（2）電動機(jī)的運行開關(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。

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

（4）抱閘低速動作情況下，損耗率很小，保養(yǎng)的難題有效解決。

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

8 結(jié)語

伴隨變頻器持續(xù)更新，并在工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中推廣應(yīng)用，起重設(shè)備在其自動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。