1 前言

隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法如：繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見(jiàn)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。

交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調(diào)速是起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。

交流變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于起重機(jī)后，與市場(chǎng)上大量使用的傳統(tǒng)的繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)相比，可帶來(lái)以下顯著經(jīng)濟(jì)效益和安全可靠性：

（1）采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機(jī)由于變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬，具有精確定位的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)起重機(jī)負(fù)載變化時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之變化的現(xiàn)象，可以提高裝卸作業(yè)的生產(chǎn)率。

（2）變頻起重機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，起、制動(dòng)平緩，運(yùn)行中加、減速時(shí)整機(jī)振動(dòng)和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長(zhǎng)了起重機(jī)機(jī)械部分的壽命。

（3）機(jī)械制動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)低速時(shí)動(dòng)作，主鉤以及大、小車(chē)的制動(dòng)由電氣制動(dòng)完成，所以機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)片壽命大為延長(zhǎng)，維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用下降。

（4）采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)取代繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，避免了因集電環(huán)、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動(dòng)機(jī)損壞或不能起動(dòng)的故障。

（5）交流接觸器大量減少，電動(dòng)機(jī)主回路實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化控制，避免了因接觸器觸頭頻繁動(dòng)作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動(dòng)機(jī)損壞故障。

（6）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活調(diào)整各檔速度和加、減速時(shí)間，使得變頻起重機(jī)操作靈活、現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性好。
（7）交流變頻調(diào)速系統(tǒng)屬高效率調(diào)速系統(tǒng)，運(yùn)行效率高，發(fā)熱損耗小，因此比老式調(diào)速系統(tǒng)大量節(jié)電。

（8）變頻器具有完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)及自診斷功能，如再結(jié)合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機(jī)電控系統(tǒng)的可靠性。

2 起重機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)

（1）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通常超過(guò)150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動(dòng)加速過(guò)程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。

（2）由于機(jī)械制動(dòng)器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動(dòng)信號(hào)與機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作信號(hào)的控制時(shí)序。

（3）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況研討如何處理這部分再生能量。

（4）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開(kāi)或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對(duì)這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。

3 英威騰CHV190起重機(jī)專(zhuān)用變頻器簡(jiǎn)介

3.1主要功能及特點(diǎn)

CHV190起重機(jī)專(zhuān)用變頻器是英威騰公司針對(duì)起重行業(yè)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)的一款高性能矢量變頻器，用于各類(lèi)起重機(jī)的起升、俯仰、變幅、大車(chē)、小車(chē)、回轉(zhuǎn)、抓斗等機(jī)構(gòu)的交流無(wú)級(jí)調(diào)速。

主要的功能及特點(diǎn)如下：

（1）抱閘邏輯控制與監(jiān)控

準(zhǔn)確的抱閘開(kāi)啟和閉合控制時(shí)序，通過(guò)抱閘實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋和起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，確?？刂频陌踩院涂煽啃?。

（2）輕負(fù)載升速（電子副鉤）

起重機(jī)空鉤或輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)2倍速運(yùn)行，提高裝卸效率。輕負(fù)載升速功能主要應(yīng)用于起升高度較大的起重機(jī)：在起升機(jī)構(gòu)空載運(yùn)行時(shí)自動(dòng)使速度上升，以縮短時(shí)間來(lái)提高裝卸效率；

重載時(shí)自動(dòng)降低速度以確保設(shè)備和人身的安全。變頻器根據(jù)啟動(dòng)后一段時(shí)間內(nèi)的平均電流值來(lái)判斷負(fù)荷的大?。寒?dāng)負(fù)載重時(shí)，變頻器自動(dòng)降低輸出頻率；當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，變頻器自動(dòng)提高輸出頻率。

（3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制提高了用戶(hù)調(diào)試時(shí)的安全性，便于故障診斷與維護(hù)。

（4）主從控制功率平衡與速度同步技術(shù)

在兩個(gè)大功率電機(jī)通過(guò)減速箱剛性連接驅(qū)動(dòng)一個(gè)起升機(jī)構(gòu)時(shí)，主從控制功率平衡功能保證兩個(gè)電機(jī)出力均勻；在雙起升機(jī)構(gòu)提升一個(gè)重物時(shí)，主從控制速度同步功能保證兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)同步提升，確保安全。

（5）第二電機(jī)控制及切換功能

一臺(tái)變頻器通過(guò)參數(shù)自學(xué)習(xí)可以自動(dòng)存儲(chǔ)兩套電機(jī)參數(shù)，通過(guò)切換指令實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組電機(jī)的高性能矢量控制；便于電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，降低用戶(hù)成本。

（6）同時(shí)支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協(xié)議支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)變頻器和PLC之間的通訊連接。

（7）危險(xiǎn)速度監(jiān)視、快速停車(chē)及超速保護(hù)變頻器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的運(yùn)行速度，當(dāng)電機(jī)速度大于設(shè)定的最高允許速度或速度偏差值時(shí)，變頻器發(fā)出故障報(bào)警并立即停止輸出，機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作，使起重機(jī)處于安全狀態(tài)。

快速停車(chē)功能給用戶(hù)提供以下三種方式供選擇：

方式1：電氣制動(dòng)的停車(chē)；方式2：電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)的停車(chē)；方式3：機(jī)械制動(dòng)的停車(chē)。

（8）預(yù)勵(lì)磁及起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償

預(yù)勵(lì)磁功能是在啟動(dòng)之前自動(dòng)地對(duì)電機(jī)實(shí)行直流勵(lì)磁，以保證電動(dòng)機(jī)快速地提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁的時(shí)間使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)器的釋放時(shí)間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象。

（9）松繩檢測(cè)

防止在起重機(jī)繩索松弛的情況下，輕負(fù)載升速功能誤動(dòng)作引發(fā)的不安全運(yùn)行。

（10）起重機(jī)操作模式——方便、靈活

根據(jù)起重機(jī)不同的操作模式，為用戶(hù)提供以下操作模式選擇：操縱桿模式、遙控模式、電動(dòng)電位器模式、分級(jí)操縱桿給定模式、分級(jí)遙控給定模式、通訊給定模式等。

3.2應(yīng)用范圍

CHV190起重機(jī)專(zhuān)用矢量變頻器，具有優(yōu)異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機(jī)（STS）、軌道式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)(RMG)、輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)（RTG）、門(mén)座式起重機(jī)、造船用龍門(mén)起重機(jī)、裝船機(jī)、卸船機(jī)、翻車(chē)機(jī)、堆取料機(jī)等各類(lèi)港口機(jī)械，以及各類(lèi)普通橋式、門(mén)式、塔式起重機(jī)和提梁機(jī)、架橋機(jī)等起重機(jī)械的起升、變幅、大車(chē)、小車(chē)、回轉(zhuǎn)、抓斗等機(jī)構(gòu)的交流無(wú)級(jí)調(diào)速。

4 變頻器的選用

下面就起重機(jī)的起升、平移機(jī)構(gòu)的變頻器選用原則做以詳細(xì)說(shuō)明。

4.1起升機(jī)構(gòu)

變頻器的容量必須大于負(fù)載所需求的輸出，即：

kPM

P0[KVA]≥————

ηcosφ

式中k——過(guò)載系數(shù)1.33

PM——負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率，kW

η——電動(dòng)機(jī)效率

cosφ——電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)

起升機(jī)構(gòu)要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.3—1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其

最大轉(zhuǎn)矩需有1.6—2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對(duì)于拖動(dòng)等額功率電動(dòng)機(jī)的變頻器

來(lái)說(shuō)，可提供長(zhǎng)達(dá)60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力，因此過(guò)載系數(shù)k=2/1.5=1.33。

在變頻器容量選定后，還應(yīng)做電流驗(yàn)證，即：

ICN≥kIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定電流，A

一般的大噸位起重機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)

各自的鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)動(dòng)滑輪組多級(jí)減速提升吊鉤。起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速傳動(dòng)方案采用一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的“一拖一”方案，為了提高低速傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個(gè)起升機(jī)構(gòu)的2臺(tái)變頻器之間采用CHV190變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩平衡分配和2個(gè)起升機(jī)構(gòu)的速度同步。

4.2平移機(jī)構(gòu)

起重機(jī)的平移機(jī)構(gòu)分大車(chē)機(jī)構(gòu)和小車(chē)機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)一般采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案。由于起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電動(dòng)機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)所需的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率PM應(yīng)由負(fù)載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由于平移機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的通用U/f開(kāi)環(huán)頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時(shí)，還要滿(mǎn)足以下公式：

ICN≥knIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流，A

IM——工頻電源時(shí)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，A

n——一臺(tái)變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量

由于在變頻器“一拖多”通用U/f開(kāi)環(huán)頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護(hù)功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)，為此在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)回路中串入帶有熱過(guò)載保功能的低壓斷路器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)，電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)取自低壓斷路器的輔助觸點(diǎn)。

5 再生能量的處理

當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或平移機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過(guò)電壓跳閘。

在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。①在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱(chēng)為動(dòng)力制動(dòng)；

②采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱(chēng)為回饋制動(dòng)。英威騰推出的DBU型能耗制動(dòng)單元和RBU型能量回饋單元的具體參數(shù)可參見(jiàn)說(shuō)明書(shū)。
下面對(duì)這兩種制動(dòng)方式做以詳細(xì)介紹。

（1）動(dòng)力制動(dòng)

動(dòng)力制動(dòng)由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成。變頻器設(shè)置了制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻后，其動(dòng)力制動(dòng)能力取決于制動(dòng)電阻的允許功率。因此，計(jì)算再生功率PM時(shí)，必須滿(mǎn)足PM ①計(jì)算再生能量EM

②計(jì)算再生功率PM

PM=EM/t0

式中PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

EM——機(jī)構(gòu)急減速及下降時(shí)的再生能量，J

t0——制動(dòng)周期時(shí)間，S

③選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合

選擇合適的制動(dòng)單元/制動(dòng)電阻組合，必須滿(mǎn)足下列條件：

PM 式中PM——制動(dòng)期間電機(jī)產(chǎn)生的有效再生功率，W

PR——制動(dòng)電阻的允許功率，W

PDB——制動(dòng)單元的允許功率，W

當(dāng)計(jì)算的PM>PR時(shí)，表明超出了制動(dòng)電阻的處理能力，需重新核算負(fù)載慣量和減速時(shí)間。

④制動(dòng)電阻RB0的計(jì)算

在再生回饋制動(dòng)中，即使不設(shè)置制動(dòng)電阻，依靠電機(jī)內(nèi)部損耗也可獲得約20%的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此可用下式計(jì)算所需的電阻值RB0：

VC²

RB0=——————————

1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V

TB——制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，kg·m

TM——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，kg·m

n1——電動(dòng)機(jī)開(kāi)始減速時(shí)的速度，rpm

動(dòng)力制動(dòng)的放電回路由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成，其最大電流受制動(dòng)晶體管最大允許電流IC的限制，制動(dòng)電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動(dòng)電阻選用時(shí)其實(shí)際值RB應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

RMIN 上述選型是建立在精確的計(jì)算基礎(chǔ)上，在實(shí)際工程中如果精確的計(jì)算數(shù)據(jù)不能取得，

也可按下述給出的經(jīng)驗(yàn)公式選型。

①起升機(jī)構(gòu)的再生功率PM

PM=Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實(shí)際的負(fù)載再生發(fā)電功率，ηmec為機(jī)械效率，ηmot為電機(jī)效率。

②制動(dòng)電阻RB0的近似計(jì)算

VC²

RB0=——

PM

由于平移機(jī)構(gòu)屬于摩擦負(fù)載，其制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻可按變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

（2）回饋制動(dòng)

為了實(shí)現(xiàn)把制動(dòng)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)再生發(fā)電能量向電網(wǎng)回饋，網(wǎng)側(cè)變流器應(yīng)采用可逆變流器。英威騰推出的能量回饋制動(dòng)單元，它的網(wǎng)側(cè)變流器與逆變器結(jié)構(gòu)相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網(wǎng)電壓識(shí)別板。由于采用了PWM控制技術(shù)，對(duì)網(wǎng)側(cè)交流電壓的大小和相位可以進(jìn)行控制，可以使交流輸入電流與電網(wǎng)電壓同相位并接近正弦波，傳動(dòng)系統(tǒng)的功率因數(shù)大于0.9，回饋制動(dòng)時(shí)有100%電網(wǎng)回饋能力，而不需要自耦變壓器。

動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)?；仞佒苿?dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。應(yīng)該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下，才可以采用回饋制動(dòng)方式。對(duì)于采用滑觸線供電的起重機(jī)，應(yīng)特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點(diǎn)，建議采用動(dòng)力制動(dòng)方式，以保證起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降時(shí)調(diào)速制動(dòng)的可靠性。