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起重机械变频驱动系统选用机理及要求。

日趋成熟的变频技术，特别是矢量控制(FOC、FVC)技术和直接转矩控制(DTC)技术，以其低频转矩高、高频稳定性好、同步控制精度高、动态响应特性满足负载突变且具备零速转矩保持功能位居交流传动之首。在起重机械方面，对于机构的起升、制动和调速性能及节能等方面要求较高的场合，基本已取代传统的接触器控制系统。所以在具体的检验过程中，特别是在起重机电气系统由原先的接触器控制系统改造成变频驱动系统时，有必要了解变频驱动系统主要部件的选用原则。

1 频驱动系统构成

为保证变频驱动系统和机械设备的安全可靠运行，变频器和其外围设备构成一变频驱动系统。一般的变频驱动系统如图 1所示：

其中：T为电源变压器，QF为断路器，KM1、KM2、KM3为交流接触器(KM2、KM3应互锁)，FIL为噪声滤波器，ACL1、ACL2为交流电抗器，R为制动电阻。

2 选用机理及要求

2．1变频器

(1)型式选择。起重机械变频驱动系统中大量应用的变频器土要有通用变频器、磁通矢量控制fFOC、FVC)变频器、直接转矩控制DTC变频器，在型式选择时，首先应充分了解控制对象性能要求，冉综合考虑成本因素。

以桥式起重机为例，其拖动系统负载都属于恒转矩性质，且其起升机构为位能性负载，在整个驱动系统中，起升机构的驱动系统尤为重要。起升机构对驱动系统的要求为：

①速度调节范围一般情况下，要求空载或轻载时速度应加快一些，重载时则较慢些。通常情况下为3。考虑重要工件的装配需要，速度调节范围要求更宽广些较好， 以般要在10以上；

②具有点动功能。作为取物体装置，桥式起重机常常需要调整吊钩或吊物的三维坐标位置，才能实现其定位功能。对于使用变频器的起重机，用户往往对定位精度及操作的便捷性要求比单纯的接触器控制系统更高，因此，必须具备点动功能：

③过载能力强。桥式起重机起升机构从起升钢丝绳收紧到将重物脱空吊起，负载变化是复杂剧烈的，且在使用过程中常要求能使重物停在半空做二次启动运行，所以，变频器必须具备相对应的过载能力。此外，对于起升机构，其负载和位能有关，为转矩负载，其特性分布在第一象限或第四象限，即无论载荷上升或下降，负载转矩的方向始终向下。当重物上升时，电动机克服包括重物的重力、摩擦阻力等各种阻力而做功；重物下降时，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的位能将成为下降的动力，但当重物的重量小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须电动机拖动下降。从电动机运行状态分析，电动机在四象限作可逆运行，即第一象限的电动状态，第二象限的制动状态，第三象限的反向电动状态，第四象限同步转速以内的到拉制动状态及超同步转速时的发电制动动状态。

综上所述，可见起重机械的电动机处于频繁的起动、制动、反转状态，每小时的接电次数较多；负载是矢规律的，时轻时重，且经常承受大的过载和机械冲击，所以起升机构用变频调速控制，不但要求低频转矩高、高频稳定性好，而且要求动态响应特性应满足负载突变且具备零速转矩保持功能。而一般的PWM、SPWM通用变频器是保持电动机气隙磁通画”不变来调速，为恒压频比控制，从机械特性图上分析，当频率f下降到较低时，电机机械转矩特性变“软”，而且频率低时最大转矩越小，限制调速系统的带载能力，这就会造成电机严重发热，起升机构的安全性得不到保障，故桥式起重机的起升机构用变频调器不能用。般的PWM、SPWM通用变频器，为了保证在低速时能有足够大的转矩，采用矢量控制方式的变频器较合适。

总之，如对起动转矩、调速精度、调速范围要求较高的场合则需考虑选用矢量变频器，否则选用通用变频器即可，如起升机构应选用矢量控制的变频器，定位精度不高的行走机构可选用普通变频器，考虑成本的因素，在一些场合(如定位、调速精度不作要求的起重机械的平移系统等)，可选择P型变频器；而DTC控制方式其力矩阶跃上升时间小于5 ms，比FVC控制方式至少小。倍，动态控制精度比FVC高出一个数量级；特别在低速运行、电供电质量不好、波形发生畸变时，DTC仍然能保持较高的控制精度，但成本较高，在大吨位的冶金起重机及港口装卸桥等应用较多，但仍需重点关注其低频时恒转矩输出的特性、空中溜钩、再生制动能量处理方式等问题，以确保起升系统的安全运行。

(2)容量选择。负载电流不超过变频而优良钢不存在应变时效偏向器额定电流是选择变频器的基本原则，因为只有变频器的额定电流是一个反映半导体变频装置负载能力的关键量，而可用电动机功率和额定容量是由变频器生产厂家按照本国或公司生产的标准电动机给出，变频器输出电雎将影响其工作容量，所以这两表征量很难确切表达变频器的能力。在容量选择时，应注意以下儿点：

①设备的工艺情况及电动机参数决定变频器容量的选择。如起重又可以通过应用物联、大数据、云计算等智能制造关键技术机的运行具有大惯性、四象限的特点，与其它传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。一般来说电动机平均起动转矩为额定转矩值的l．3～1．6倍，考虑到电源电压波动及需要通过l l0％额载的动载试验要求等因素，其最大转矩应是负载转矩的1．8～2．0倍，以确保安全使用。通常对于普通鼠笼通化电动机来讲，等额变频器仅能提供小于l50％超载负载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电动机容量来获得200％的负载力矩值。

②变频器额定电流大于电动机额定电流的原则来选配，即Id≥Ib。在起重机械中，考虑相关的取值系数，可得出以下公式：

式中，Ib一变频器的额定电流；

Id一电动机的额定电流；

K1一最大负载系数，为所需最大转矩与电动机额定转矩之比；

K 2一余量系数， 一般取K2=1.2；

K 3一变频器过载能力系数，不同的变调和国家有色金属标准委申报制定陶铝新材料国家标准频器

生产厂家其K3值不一样，ABB和安川一般取K3=1.5，西门子取K 3=1.36。

2．2合理选配变频器配件

(1)交流电抗器ACLl、ACL2。起重机械变频系统在使用过程中，经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏变频器的性能和使用寿命，而且当电源容量大时，输入电流的高次谐波会增高，使整流二极管或电解电容器的损耗增大而发生故障，所以ACLl尤为重要。

由于变频器和调速器是采用变频的方式调速的，所以在调速的时候经常会产生高次谐波和产生波形畸变，增大了电动机的振动和磁噪声；同时变频器的转矩输出受到高次谐波所产生的脉动转矩的影响，产生较大的波动，若变频器输出转矩的波动而与机械系统发生共振，将产生更大的振动。此外，高次谐波还影响交流调速电动机电流，比带同意负载和在同义频率下的电流增加了5％～l0％，使电机温升大于工频电源驱动工况，在连续低速运行时，电机将会出现过热现象。在电动机和变频器间串入电抗器，可以有效降低电动机噪声(缓和金属音质，噪声可降低5 dB左右)、振动、过热问题，为此，须在输出端加装。个输出电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电质量。在以下场合更应注意检奇其配置和工作情况：

①电机功率大于55 kW以上；

②电源容量500 kVA以上且是变频器额定容量的l 0倍以上时；

③电品质恶劣(电源电压不均衡度超过3％时)，三相电流偏差大或容量偏小的场合；

④当变频器到电机线路超过50 m(一般原则)时应选用交流输出电抗器。

(2)制动电阻R和制动单元。制动电阻的阻值决定着制动电流，也就是决定着制动时问的长短，所以应重视制动电阻R和制动单元的选择。在冶金起重机或下降速度较大的起重机(如装卸桥等)，由于驱动系统的惯量，转速不能突变，若电机的运行状态为冉生发电制动状态，即在下降过程中起升机构产生的势能和减速或停止(高频率调到低频率)时起升机构所具有的动能都需要变频器进行回馈处理，变频器通过其逆变环节的开关管将该动能或势能转换为直流侧的电能，并依靠制动单元或制动电阻来吸收。为保证减速和停车过程的快速性，减小停车的惯性行程(溜车)，减速时问设置应较文氏管短，这就要求变频器应在较短时间把机构的动能和势能吸收掉，否则，变频器就会出现中间直流环节的电容器电压过高而引起过电压保护，中断运行。因此在制动单元和制动电阻的选择上，应考虑到起升机构位能负载的特殊性，必须在按常规方法计算和选用制动单元和制动电阻容量的基础上进行增加，若考虑裕量不足，建议在直流侧加设公共母线的逆变桥使之回馈到电。

(3)噪声滤波器FIL。在变频器中大多采用电力晶体管或IGBT高速开关，动作频率相当高，输出电压和输出电流中含有高次谐波，并通过静电感应和电磁感应而成为电波噪声，对附近10MHz以下频率的无线电测量及控制设备等无线电波产生影响，其中传导噪声通过电源线传播，使电机绝缘恶化，使负荷限制器误动作，并干扰PLC的正常工作，使接近开关、光电开关误动作；而辐射噪声对起重机的通讯设备产生干扰，影响使用质量和效果。噪声滤波器FIL的主白水晶要功能是限制变频器因高次谐波对外界的干扰，可酌情选择，在以下场合可以不选用：

①直流回路已串接直流电抗器；

②已采用隔离滤波变压器，对高频成分已形成绝缘；

③变频器和电机及电源配线套上金属管接地同时还提供各种装备资料信息完善。

(4)断路器QF和交流接触器。在电源的输入端，为保护原边配线，应设置用配线用断路器。断路器的选择取决于电源侧的功率因素(随电源电压、输出频率、负载而变化)。其动作特性受高频电流影响而变化，有必要选择大容量。

交流接触器KMl用于防止停电后复电时变频器的自动冉启动，以保护设备和人员的安全；当有变频和工频下功能切换运行功能时，交流接触器KM2、KM3应注意互锁。KM2原则上禁止在运行中切换，若在变频器运行中接入时，会有大冲击电流，导致过电流保护动作，所以应在变频器停止输出后进行切换，并合适地使用速度搜寻功能。

(5)功率因数补偿。可使用DC电抗器，绝不可在变频器的输出端连增稠剂接电容器以补偿功率因数，因为变频器输出的是PWM电压，含有很多高次谐波，一旦连接电容器，由于谐波作用，将增加变频器的输出电流，可能损坏变频器的大功率开关器件和连接的电容器。另外，变频器的输入侧功率因数取决于变频器的AC--DC变换电路系统，而不取决于电动机的功率因数，所以在变频器的输出端连接电容器，并不能改善输入功率因数。

(6)其他。

①热继电器：为防止电机过热，变频器有电了热保护功能。但一台变频器驱动多台电机及多级电机时，应在变频器和电机间设置热继电器。热继电器在50 Hz设定为电机铭牌的l倍，60 Hz时设定为l.1倍。

②功率电缆的线径和配线距离：变频器和电机间配线距离较长时(特别是低频输出时)，由于电缆压降会引起电机转矩下降；应用充分粗的电缆配线；操作器装在别处时，应使用专用的连接电缆；远程操作时，模拟量、控制线和变频器问的距离应控制在50 m以内；控制信号应妥善屏敝接地。

3 结语

电机交流变频调速技术已成为当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段，也被国内外公认为最有发展前途的调速方式，在我国许多行业，特别是起重机行业所采用，但在广泛使用中也要关注其合理配置，充分发挥驱动系统的安全性、可靠性和经济性。