变频器在港机设备中的应用

    港口机械设备具有较长的发展历史，拖动系统采用过各种各样的方法。从早期的直流调速继电接触器控制系统，到近代的AC定子调压、DC晶闸管调速装置。电动机主要以绕线式异步机和直流电机为主，其最大的缺点是滑差、整流子、碳刷的存在致使维修不便。进入20世纪80年代后，随着变频器的迅速发展，变频器进入港机设备的驱动领域，引起人们极大的重视。它克服了以往驱动系统的缺点，明显提高了可靠性的同时，还具有显著的节能效果。由于异步电动机结构简单、维修方便、适合在有粉尘和振动大的环境中使用，故异步电机变频调速系统非常适合在港口机械上推广应用。

    一、港机设备的特点

   1.1  使用环境

    运行中的港机设备振动冲击大，空气中煤粉、炭粉、化学物质粉尘严重，海边特有的湿度、盐碱等腐蚀性成分高。在电源质量方面普遍存在变压器容量小、动力电缆线路长、截面小，在大型设备启动工作时，经常造成瞬时欠电压。电压波动范围为320～400V。

   1.2  运行特点

    港机设备具有以下运行特点：

    ①启动转矩大，通常超过150%以上，若考虑提升时电压降低及超载试验的要求，至少应在启动加速过程中提供200%转矩。

    ②由于港机一般设有机械制动装置，为使电机转矩与机械制动转矩进行平滑切换，必须充分考虑电机切入与制动器的动作时序。

    ③当提升或下降时，重物产生的位势负载使电机处于发电状态，能量要向电源侧回馈。由于大多数通用变频器没有电能回馈能力，此时必须通过制动单元，将这部分能量经制动电阻以热能形式释放掉。

    ④提升机构在抓吊重物离开或接触地面的瞬间负载变化激烈，变频器必须能适应这种冲击负载并对其进行平滑控制。

   1.3  采用变频器的必要性

    ①就门式起重机而言，目前大多采用绕线式异步电动机转子串电阻的有级调速方案，但启动电流大，设备受冲击严重，经常造成机械构件的损伤，严重影响设备使用寿命和正常生产。

    ②港机也有选用直流调压调速方案，虽然可以平滑无级调速及软启动；但由于直流电机存在维护工作量大、电机成本高、体积大等缺点，不如经久耐用的交流电机。

    ③变频器具有显著的节能效果。

    ④变频器具有完善的保护及自诊断功能，和PLC控制结合可提高系统的可靠性。

    二、港机设备中变频器的选型

    图12-2为变频器在港机上应用的原理框图。对不同设备选用适宜的变频器，对提高系统可靠性十分重要。目前，变频器有以下两种控制方式：

   (1) U/f控制

   U/f控制方式是根据负载特性选择合适的U-F曲线进行控制。为了在低频区增大电机转矩、变频器设有转矩补偿功能。

    如图12-3所示，变频器在线实时计算转矩，能在整个输出频率范围内根据负载大小自动调整U/f的比例，以满足负载特性要求。

    此外，在电机加速过程中，如果负载转矩过大，超过电机峰值所决定的转矩值，则电机将无法跟踪变频器的输出频率，形成失速状态，这在港机作业中是不允许的。为防止失速，当加速时电流峰值超过预先设置的保护值，可通过自动减缓加速特性斜率，以保证电机转速始终能跟踪变频器输出频率的变化，这就是变频器的失速防止功能。图12-4为防止失速示意图。

    图12-2    变频器在港机上应用的原理框图

    图12-3    转矩补偿

    图12-4    防止失速

   (2)矢量控制

    矢量控制根据直流电机的基本控制原理，使异步电机和磁通矢量和电流矢量相互垂直，可以产生与直流电机相同的转矩及控制精度、响应速度：由于矢量控制方式能实现转矩控制，因此对于港口装卸设备这类恒转矩负载最为合适。

    三、变频器及其周边设备的容量设计

   3.1  计算容量前应考虑的因素

   (1)负载特性

    ①负载类型重力、摩擦、惯性、流体。

    ②负载性质恒转矩、恒功率。

    ③负载变化恒定、冲击、高启动。

   (2)运行方式

    ①连续运行。

    ②中、低速长时间运行。

    ③短时间运行。

   (3)电源质量

    ①电源变压器容量大小。

    ②电压波动大小。

    ③频率、相数。

   (4)负载的最高输出功率和转速

   3.2  电机功率计算

    对于提升及变幅机构所需电机功率为

    式中，W为负荷重量，kg；v为额定速度，m/min；η为机械效率。

    行走及旋转机构计算公式与上相同，但需考虑风力造成的阻力，故

    式中，μ为风阻系数。

    启动加速转矩T为

    式中，GD²为转动惯量，kg·m²；n为电机额定转速，r/min；tmin为加速的最短时间，s。

   3.3  变频器容量的计算

    计算变频器容量P0(单位kVA)时，应考虑如下三个原则：

   (1)变频器容量必须满足负载功率的要求，即

   (2)变频器容量应大于电机容量，即

   (3)变频器电流Ii应大于电机额定电流，即

   Ii≥K·IN

   3.4  制动电阻的计算

    当电机转速高于变频器频率所对应的同步转速时，处于发电状态的电动机将把负载惯性产生的动能反馈到变频器中。必须将这部分能量通过制动单元，由外接的制动电阻释放掉。图12-5为制动回路原理图。

    图12-5    制动回路原理图

   (1)制动转矩TB的计算

    式中，GDM²为电动机转动惯量，kg·m²；GDL²为负载转动惯量，kg·m²；n1为减速初始速度，r)min；n2为减速结束速度，r/min；TL为负载转矩，kg·m。

   (2)制动电阻RB的计算

    由图12-5可知，制动电流峰值由制动单元中的晶体管允许电流Ic决定，即制动电阻的最小值

    制动电阻所需功率PB计算如下：

式中，TB为电动机额定转矩，kg·m；0.2TN表示不加制动转矩，依靠电机内部消耗亦可获得大约20%的制动转矩，故在计算公式中要扣除0.2TN。

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