1、2010 年电工高级技师评审论文1No._双梁桥式起重机变频改造太原铁路局太原机务段 杨志强2010 年 8 月 31 日 太原市2010 年电工高级技师评审论文2双梁桥式起重机变频改造摘 要交流变频调速是交流电动机调速方法中最理想的方案，采用变频器对交流电动机进行调速具有优良的调速性能，并对节约能源，提高经济效益具有重要意义。 中华人民共和国节约能源法第 39 条，已将变频调速列入通用节能技术加以推广。本文从变频器的技术以及双梁起重机变频改造中的技术关键问题进行了具体分析研究，并提出了改造方案，可适用于通用机械、纺织、印染、造纸、轧钢、化工等行业中交流电动机的无级调速，并可明显取得节能效果，
2、满足工艺和使用要求。关键词： 起重机； 变频调速； 改造Keywords: hoist; VVVF speed adjust; Regeneration2010 年电工高级技师评审论文3目 录摘要（2）引言（5）第一章 变频器技术介绍（6）一、变频器的工作原理（6）二、变频器的分类（6）三、变频器的控制方式（6）第二章 变频器及电器元件选择（8）一控制方案的确定(8)二变频器的选择（8）三断路器的选择（8）四电磁接触器（9）五快速熔断器的选择（9）六制动电阻及制动单元（9）七过载热继电2010 年电工高级技师评审论文4器（10）八主电路电缆及控制线路（10）第三章 双梁起重机的变频改造方案（1
3、2）一双梁起重机的工作特点（12）二变频器型号选择（12）三爱默生变频器的特点（12）四技术参数（13）五变频器主要参数设置（13） 六变频器制动系统设计（13）七系统设计中应注意的其他问题（14）八变频器使用中的维护（14）九改造效果（15）十存在问题（15）结论（16）参考文献（16）致2010 年电工高级技师评审论文5谢（17）2010 年电工高级技师评审论文6引 言变频器调速技术是集自动控制、微电子、电力电子、通信等技术于一体的高科技技术。它以很好的调速、节能性能，在各行各业中获得了广泛的应用。由于其采用软启动，可以减少设备和电机的机械冲击，延长设备和电机的使用寿命。随着科学技术的高速
4、发展，变频器以其具有节电、节能、可靠、高效的特性应用到了工业控制的各个领域中，如变频调速在供水、空调设备、过程控制、电梯、机床、起重设备等方面的应用，保证了调节精度，减轻了工人的劳动强度，提高了经济效益。第一章 变频器技术介绍2010 年电工高级技师评审论文7一、变频器的工作原理变频器是将工频电源转换成任意频率、任意电压交流电源的一种电气设备，变频器的使用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行。变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，其中主电路还包括整流器和逆变器等部件。变频器的工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，
5、逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压的交流电，部分变频器还会在电路内加入 CPU 等部件，来进行必要的转矩运算。二、变频器的分类变频器的种类繁多，按照变频器的用途不同可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等；按照变频器工作原理分类可分为 V/f 控制变频器、转差频率控制变频器和矢量控制变频器等。三、变频器的控制方式目前，随着低压变频器技术的不断成熟，低压变频的应用场合决定了它不同的分类。单从技术角度来看，低压变频器的控制方式也在一定程度上表明了它的技术流派。我们在此分析了以下几种控制方式： 1.正弦脉宽调制（SPWM） 其特点是控制电路结构简单、成本较低，
6、机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求，已在产业的各个领域得到广泛应用。但是，这种控制方式在低频时，由于输出电压较低，转矩受定子电阻压降的影响比较显著，使输出最大转矩减小。另外，其机械特性终究没有直流电动机硬，动态转矩能力和静态调速性能都还不尽如人意，且系统性能不高、控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。因此人们又研究出矢量控制变频调速。 2.电压空间矢量（SVPWM） 它是以三相波形整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的，一次生成三相调制波形，以内切多边形逼近圆的方式进
7、行控制的。经实践使用后又有所改进，即引入频率补偿，能消除速度控制的误差；通过反馈估算磁链幅值，消除低速时定子电阻的影响；将输出电压、电流闭环，以提高动态的精度和稳定度。 2010 年电工高级技师评审论文83. 矢量控制变频调速矢量控制变频调速的做法是将异步电动机在三相坐标系下的定子电流 Ia、Ib、Ic、通过三相二相变换，等效成两相静止坐标系下的交流电流 Ia1Ib1，再通过按转子磁场定向旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流 Im1、It1（Im1 相当于直流电动机的励磁电流；It1 相当于与转矩成正比的电枢电流） ，然后模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量，经过相应的坐标反
8、变换，实现对异步电动机的控制。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。使用矢量控制，可以使电机在低速,如（无速度传感器时）1Hz（对 4 极电机，其转速大约为30r/min）时的输出转矩可以达到电机在 50Hz 供电输出的转矩（最大约为额定转矩的150） 。 4.直接转矩控制（DTC）方式 该技术在很大程度上解决了上述矢量控制的不足，并以新颖的控制思想、简洁明了的系统结构、优良的动静态性能得到了迅速发展。目前，该技术已成功地应用在电力机车牵引的大功率交流传动上。 直接
9、转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。5.矩阵式交交控制方式 VVVF 变频、矢量控制变频、直接转矩控制变频都是交直交变频中的一种。其共同缺点是输入功率因数低，谐波电流大，直流电路需要大的储能电容，再生能量又不能反馈回电网，即不能进行四象限运行。为此，矩阵式交交变频应运而生。由于矩阵式交交变频省去了中间直流环节，从而省去了体积大、价格贵的电解电容。它能实现功率因数为 l，输入电流为正弦且能四象限运行，系统的功率密度大。该技术目前尚未成熟，其实质不是间接的控制电流、磁链等量，而是把转矩直接作为被控制量来实现的。矩阵式交交变频具有快速的转矩响应（2ms） ，很
10、高的速度精度（2，无 PG 反馈） ，高转矩精度（3） ；同时还具有较高的起动转矩及高转矩精度，尤其在低速时（包括 0 速度时） ，可输出 150200转矩。2010 年电工高级技师评审论文9第二章 变频器及电器元件选择通用桥式起重机（行车）在各行业中的使用很广泛。在变频调速没有出现之前，行车上应用的调速方式一般为转子串电阻调速方式，亦改变转差率调速方式。它实质是通过在调速电阻上消耗能量来实现调速的，这必然造成大量的能量损失，很不经济。而近年来，伴随着变频调速技术的发展及很多厂家有专门研发的起重专用变频器，变频调速在行车上也取得了成功的应用。变频调速系统设计中，要确定系统的组成、功能、以及相关
11、系统组成部件的容量选择。一控制方案的确定首先是系统采用开环或闭环控制的选择，一般的起升机构可以采用开环控制方式，那些对速度控制精度要求较高的情况才要考虑闭环控制。如果要构成闭环系统，一定要有PG（编码器） 、检测回路和连接线。这些环节加大了安装的复杂性；增加了系统成本；更重要的是降低了系统的可靠性，因为在闭环系统中，反馈回路任何细小的差错可能造成系统紊乱。其次是速度给定方式的选取，绝大多数的变频器都有多种速度输入方式，如多级开关量输入方式和模拟量给定方式，不少品牌的变频器还具备有总线通信接口。对于常规变频起升机构，大多采用开关量作为速度给定，不同在于是采用 PLC 还是继电逻辑控制。最为简洁的
12、系统结构应该是由 PLC 与变频器通信接口传送速度与控制指令，这样，控制柜内的连接线最少。二变频器的选择 变频器的选型应满足以下条件：(1)电压等级与控制电机相符。(2)额定电流为控制电机额定电流的 1115 倍。(3)根据被控设备的负载特性选择变频器的类型。变频器容量的选取由很多因素决定，如电动机容量、电动机额定电流、加速时间等，但最基本的是电动机电流。对于连续运行的变频器必须满足以下三个条件： 满足负载输出 满足电动机容量 满足电动机电流 三断路器的选择 2010 年电工高级技师评审论文10变频调速系统设置断路器的主要作用有二，一是当变频器的输入侧发生短路等故障时，起到保护作用；二是方便设
13、备的检修或因某种原因长时间停用时，切断断路器使变频器与电源隔离。断路器容量的选择必须考虑到如下几个要素：（1）变频器的进线电流是脉冲电流，其尖峰值可能超过额定电流；（2）变频器接通电源瞬间对电容器的充电电流可达到 2-3 倍的额定电流；（3）变频器一般允许的过载能力为 150%/1min。一般在实际选型时，无需进行如上式的具体计算，只要符合如下式所示的关系即可以满足使用要求：断路器额定电流（1.31.4）变频器额定电流四电磁接触器 变频器的运行、停止等控制是通过其多功能端子进行的，而不是通过电磁接触器，所以在变频调速系统设计中并不必须设置电磁接触器，但在实际应用中，设置电磁接触器有如下两个好处
14、： （1）可以通过远程的控制按钮方便地操作变频器的通电与断电; （2）当变频器发生故障或外部某个元件（如制动单元、制动电阻、超速开关等）发生故障时，能自动切断变频器电源，保障系统的稳定、安全运行。 其容量的选择主要满足下面的条件即可：电磁接触器主触点的额定电流 变频器额定电流 五快速熔断器的选择快速熔断器是否需要配置，看法不一。选择合适的外部快速熔断器，以避免因内部短路时对整流器件的损坏。就其保护功能而言，其与断路器的功能相似，但有的认为，其保护动作要比断路器迅速。 若在系统设计中配置快速熔断器，其容量选择方法与断路器相同。六制动电阻及制动单元1. 制动电阻 制动电阻主要是起到消耗泵生电能，从
15、而限制泵生电压的作用。制动电阻主要是依据阻值和容量这两个参数来选取，即不能因为阻值选的过大而不能达到快速减速的目的，也不能因为容量选的太小而易烧坏电阻，所以制动电阻的选取在变频调速系统设计中是比较关键的一环。 （1）制动电阻阻值确定 由于在进行再生制动时，电动机内部也会有 20%的铜损被转换为制动转矩，故可以粗2010 年电工高级技师评审论文11略地认为：如果通过制动电阻的放电电流等于电动机的额定电流的话，所需的附加制动转矩大致能得到满足。并且有资料研究表明：当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相等的制动转矩。基本可以按变频器样本给出的参数确定，基本原则是，考虑直
16、流回路的电压（重物下降工况时将超过 600VDC）情况下，电阻上的电流不超过变频器的额定电流。 注：在实际应用中，可以根据具体情况适当的调整制动电阻的大小。 （2）制动电阻的容量确定 首先需计算出制动电阻的耗用功率，耗用功率的含义：如果电阻的容量按此选择的话，该电阻可以长时间接入在电路中工作。所以大多情况下，电阻功率都未作严格计算。经验的取值一般是电机功率的 4070%之间，减速机的反向效率较低时，可以选用较小的电阻功率。由于拖动系统的制动时间通常是很短的，在短时间内，电阻的温升不足以达到稳定温升，因此，制动电阻容量确定的根本原则是：在电阻温升不超过其额定温升的前提下，应尽量减小容量，即： p
17、b=abpbo 式中： pb制动电阻功率，kw； b制动电阻容量修正系数（一般取 0.30.5） 。2 制动单元 制动单元的功能是：当直流回路的电压 ud 超过规定的限值时，接通能耗电路，使直流回路通过制动电阻 rb 释放能量。制动单元容量的选取相对而言比较简单，即只需和变频器的容量相当即可。七过载热继电器 过载热继电器主要是为电动机提供保护的，但在目前所有的变频器中一般都有电子热保护功能，系统设计中并不需要在外部专门设置过载热继电器。但在下述情况下，须设置过载热继电器以达到保护电动机的目的。 （1）选用电动机的容量不在变频器适用电动机的容量以内（注：一般变频器说明书中会提供其最大适用电动机容
18、量） ； （2）一台变频器驱动多台电动机。 变频器的电子热保护功能是针对一台电动机才会起作用，对两台及以上就提供不了保护作用，所以为了保护电动机可靠运行，必须在外部为每台电动机专门设置过载热继电器。 目前通用桥式起重机大车机构的运行一般采用分布驱动方式，即两台电动机或四台电动机的驱动方式，所以大车控制系统就是一拖多方式。故必须为每台电动机各自设置过载热继电器。但在变频调速系统中设置过载热继电器时要特别注意，为了避免变频器输出电流中的高次谐波，引起过载热继电器的误动作，应将过2010 年电工高级技师评审论文12载热继电器的动作电流适当调大，一般以 1.1 倍的电动机额定电流为宜。八主电路电缆及控
19、制线路 (1)主电路电缆 主电路电缆容量的选择必须考虑到电路中的电流容量、短路保护、因温升造成的容量减少、线路上的压降等问题的影响。一般来说，变频器主电路电缆线径的选择应保证其线路压降在 2%3%以内就可以了。若在配线距离较长的场合，为了减少低速运行时的压降（压降大会导致电动机转矩不足） ，应选用线径较大的电线。 (2)控制线路 控制线路电线的选择必须考虑机械强度、规格、电压降等问题，一般与控制电源及外部供电电源有关的电路选用 2mm2 以上的电线就可以，而操作电路及信号电路选用 0.75mm2线径以上的电线即可。但必须注意的是，变频器的控制信号为微弱的电压或电流信号，所以电源以外的电线应选用
20、屏蔽线或屏蔽双绞线。且其布线必须符合行业规范的要求，以免引起干扰。2010 年电工高级技师评审论文13第三章 双梁起重机的变频改造方案一双梁起重机的工作特点通用桥式起重机一般分主起升、副起升、大车、小车四个运行机构。主/副起升机构属于纵向运行机构，电动机负载的特性属于位能负载；大、小车机构属于横向运行机构，电动机负载的特性属于磨擦负载。二变频器型号选择根据起重机电机驱动的特性和技术要求，选用爱默生 TD3000 系列变频器作为主、副钩的电机驱动。选用爱默生 EV2000 系列变频器作为大、小行车行走机构的电机驱动。主钩电机 45KW 采用 TD3000 型 75KW 变频器，副钩电机 15KW
21、 采用 TD3000 型 18.5KW 变频器，小车电机 5.5KW 采用 EV2000 型 7.5KW 变频器，大车两台 7.5KW 电机采用 EV2000 型18.5KW 变频器。起重机大车运行方向有前后、小车运行方向有左右。依据运行速度要求又分为 14档。加减速时间为 36s。通常小车行走机构采用一台电机，而大车行走机构需采用 2台电机。大、小车本身的惯性也较大，为防止电机被负载倒拖反转而处于发电状态，产生过电压，因此大小车变频器都配备了制动单元及制动电阻来释放能量。考虑到机械的振动及移动路径曲折时的反作用转矩，所以应充分注意机械的结构，制动电阻值要按吸收最大再生电能的工况选定。起重机整
22、个电气系统由变频器内置 PLC 控制，线路简单、使用方便。三爱默生变频器的特点TD3000 系列变频器是 Emerson 公司自主开发生产的高品质、多功能、低噪音的矢量控制通用变频器。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行。具有电机参数自动调谐、零伺服控制、速度控制和转矩控制在线切换、转速跟踪、内置 PLC、内置 PID 控制器、编码器和给定及反馈信号断线监测切换、掉载保护、故障信号追忆、故障自动重起、内置制动单元、2010 年电工高级技师评审论文14内置 PG 接口、 28 种故障监控、丰富的 I/O 端子和多达十种的速
23、度设定方式，能满足各类负荷对传动控制的需求。键盘由 LED 显示运行数据和故障代码，LCD 显示中/英文状态信息和操作说明，并能进行参数的上传拷贝和下传复写功能；功能强大的后台调试监控软件可通过内置的 RS485 接口组网监控运行；通过 TDSPA01 总线适配器可以接入符合国际标准的 PROFIBUS 现场总线控制系统。紧凑的结构，可灵活安装；按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性； 丰富的选配件，可进行多种配置选择。四技术参数：输入额定电压；频率： 三相，380V；50Hz/60Hz 变动容许值电压：320V460V，电压失衡率3%；频率：5%输出电压： 三相，0380V输出频率：
24、0Hz400Hz过载能力： 150%额定输出电流 2 分钟，180%额定输出电流 10 秒调制方式： 优化空间电压矢量 PWM 模式控制方式： 有 PG 反馈矢量控制 / 无 PG 反馈矢量控制 / V/F 控制运行命令给定方式： 面板给定；外部端子给定；通过串行通讯口由上位机给定速度设定方式： 操作面板数字设定；模拟设定；上位机串行通讯等 10 种速度（频率）设定方式速度设定精度： 数字设定：0.01%（1040） ；模拟设定：0.05%（2510）速度设定分辨率： 数字设定：0.01Hz；模拟设定：1/2000 最大频率速度控制精度：有 PG 反馈矢量控制：0.05%；（2510） 无 P
25、G 反馈矢量控制：0.5%；（2510）速度控制范围 ：有 PG 反馈矢量控制：1：1000；无 PG 反馈矢量控制：1：100转矩控制响应： 有 PG 反馈矢量控制： 150ms；无 PG 反馈矢量控制： 200ms起动转矩： 有 PG 反馈矢量控制：200%/0rpm； 无 PG 反馈矢量控制：150%/0.5Hz转矩控制精度 ：5%五变频器主要参数设置 大车变频器带有几个电机时应运行于线性频率/电压特性。14 档速度变化采用固定频率设定 1 档=5HZ、2 档=10HZ，3 档=25HZ，4 档=50HZ，同时利用变频器的制动器接通、断开功能由输出继电器触点控制机械制动器，使行走机构在电
26、机停止时不会由于外力而随2010 年电工高级技师评审论文15意移动。注意中间电压和转矩补偿的调整，加减速时间因天车吨位大小而宜。 六变频器制动系统设计利用设置在直流回路中的制动电阻吸收电机的再生电能的方式称为能耗制动，其优点是构造简单；对电网无污染（与回馈制动作比较） ，成本低廉；缺点是运行效率低，特别是在频繁制动时将要消耗大量的能量且制动电阻的容量将增大。一般在通用变频器中，小功率变频器（22kW 以下）内置有了刹车单元，只需外加刹车电阻。大功率变频器（22kW 以上）就需外置刹车单元、刹车电阻了。 七系统设计中应注意的其他问题除了前面讨论的几点以外，在变频器控制系统设计与应用中还要注意以下
27、几个方面的问题。（1）在设备排列布置时，应该注意将变频器单独布置，尽量减少可能产生的电磁辐射干扰。在实际工程中，由于受到房屋面积的限制往往不可能有单独布置的位置，应尽量将容易受干扰的弱电控制设备与变频器分开，比如将动力配电柜放在变频器与控制设备之间。（2）变频器电源输入侧可采用容量适宜的空气开关作为短路保护，但切记不可频繁操作。由于变频器内部有大电容，其放电过程较为缓慢，频繁操作将造成过电压而损坏内部元件。（3）控制变频调速电机启/停通常由变频器自带的控制功能来实现，不要通过接触器实现启/停。否则，频繁的操作可能损坏内部元件。 （4）尽量减少变频器与控制系统不必要的连线，以避免传导干扰。除了控
28、制系统与变频器之间必须的控制线外，其它如控制电源等应分开。由于控制系统及变频器均需要 24直流电源，要求用两个直流电源分别对两个系统供电。（5）变频器柜内除本机专用的空气开关外，不宜安置其它操作性开关电器，以免开关噪声入侵变频器，造成误动作。八变频器使用中的维护变频器运行过程中，可以从设备外部目视检查运行状况有无异常，专职点检员可以通过键盘面板转换键查阅变频器的运行参数，如输出电压、输出电流、输出转矩、电机转速等，掌握变频器日常运行值的范围，以便及时发现变频器及电机问题。此外，还要注意以下几点：(1)设专人定期对变频器进行清扫、吹灰，保持变频器内部的清洁及风道的畅通。(2)保持变频器周围环境清
29、洁、干燥。严禁在变频器附近放置杂物2010 年电工高级技师评审论文16(3)每次维护变频器后，要认真检查有无遗漏的螺丝及导线等，防止小金属物品造成变频器短路事故。(4)测量变频器(含电机)绝缘时，应当使用 500V 兆欧表。如仅对变频器进行检测，要拆去所有与变频器端子连接的外部接线。清洁器件后，将主回路端子全部用导线短接起来，将其与地用兆欧表试验，如果兆欧表指示在 5M 欧以上，说明是正常的，这样做的目的是减少摇测次数。九改造效果1.节电效果明显。2.系统软起软停，可防止起动时大电流冲击。3.操作方便，节约人力。4.变频器强大的保护功能，可保证系统安全运行。十存在问题1.变频器价格较高，成本较
30、大。2.系统较工频设备维修费用有所增加。3.没有实现系统的智能化，需继续研究系统进行改进。2010 年电工高级技师评审论文17结 论起重机采用变频器驱动后使整机性能有较大提高，如效率高、功率因数好、节能效果显著；外部配线简单、配线费用下降；可无级调速、行走平滑稳定；电动机构造简单、可靠性高，能在恶劣环境下使用，大大减少了维修工作量和易损部件，极大地改善了维护性能；变频器自身保护功能齐全，如过流、过载、过压等都能及时报警及停止，减少了起重机故障，提高了安全性能。同时，变频器具有限流作用，软起动可以减少起动时对电网的冲击，有利于车间内其它设备正常运行。 参考文献2010 年电工高级技师评审论文18
31、1 吴忠智,吴加林. 变频器应用手册（第二版） 北京:机械工业出版社,2002. 2 张燕宾.spwm 变频调速应用技术（第二版） 北京:机械工业出版社,2002 3 冯垛生,张淼. 变频器的应用与维护 广州:华南理工大学出版社,2001 4 张质文等. 起重机设计手册 北京:中国铁道出版社,1997 5 爱默生变频器 TD3000 EV2000 用户手册.致 谢经过三个月的研究与学习，双梁起重机的变频改造方案设计完成，经施工改造实施，达到了预期的设计要求，取得了良好的使用效果。在此，我要感谢支持我改造设计工作的段长李树雄、主任韩晋平、工程师钟瑞文，还有在改造工作中一同奋斗的设备车间的职工们，没有他们，我的设计无法完成。感谢大家！
