位能负载条件下的变频调速系统设计
深圳市库马克新技术有限公司 罗自永 李瑞常
广州钢铁集团公司 刘少善 高永坚
摘要：本文分析了位能负载的物理特性，控计了提升机械变频调速系统的设计思想和分析计算方法，对变频设备的合理选用进行了研究．
关键词：提升机 变频调速 制动
一、概述：
物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备，在各工矿企业中大量使用，如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等，都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下放重物，具有典型的位能负载特性。
由于启动及调速成等方面的需要，通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻，从而降低电机启动电流，并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：
1、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2、电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。
3、再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。
4、接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。
5、绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备事故。
随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等软件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能行到极大提高。
二、位能负载的调速特性
提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，其调速特性如图一和图二所示。
图一 转子回路串电阻的调速特性 图二 交流变频调速特性
如图所示，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点１和工作点２为电动状态，工作点３为能耗制动状态，工作点４为再生发电机状态。
变频调速特性为一组平行的曲线，同于变频器的频率可以连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图二中１区为电动区，２区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。
三、变频器的容量选择
提升机械采用变频器进行控制时，可以迁用鼠笼型电动机，对于原使用绕线式电动机的提升机械，可将绕线式电动机的转子短接，当作笼型电机使用。常用的电动机为ＹＺ系列鼠笼型电动机和ＹＺＲ系列绕线型电动机，这两个系列的电动机，都是以工作制Ｓ３及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。
ＹＺ和ＹＺＲ系列电动机的过载力矩一般为2.2-2.8倍，为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用变频器进行控制后，必须保证变频器－电动机系统具有2.2-2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟，瞬态过载力矩只能达到180%－200%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器－电动机系统的瞬时过载能力。
由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器－电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0-2.4倍，基本满足要求。因此，应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机，应配置55KW的变频器，且变频器应具有较大的过载能力，过载率在150%一分钟以上。
四、制动组件的合理选用
如图三所示，再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果将使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值（如750V），制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电坟开始下降，当它下降到某一设一值（如630V），则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。
由上述可知，选择制动组件的基本原则是：
1、制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。
2、制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。
通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。
以工矿企业常用的行吊为例，说明制动组件的选取方法。
图三 变频系统示意图
图四是一个典型的行吊作业速度图。行吊在某个地点以速度Ｎ１提升重物，平移到另一个地点，然后以速度Ｎ１下放重物，再回到原地继续作业，如此往复。设工作周期为Ｔ，在下放重物时电动机再生发电，持续时间为Ｔｂ，重物在电动机轴上形成的负载转矩为Ｍｚ，机械效率为η，则：
最大瞬时回馈能量pm=ηMzN1
制动时间Ｔｂ内的平均回馈能量Ｐｂ＝ηMzN1
周期Ｔ内的平均回馈能量Ｐａ＝ηMzN1Tb/T
按下弄算法选取组件的额定参数：
1、放电开关管额定电流Ibe
《位能负载条件下的变频调速系统设计》
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广州钢铁集团公司 刘少善 高永坚
摘要：本文分析了位能负载的物理特性，控计了提升机械变频调速系统的设计思想和分析计算方法，对变频设备的合理选用进行了研究．
关键词：提升机 变频调速 制动
一、概述：
物品提升机械是国民经济各行业不可缺少的生产设备，在各工矿企业中大量使用，如工厂的行吊、港口码头的塔吊、矿井提升机、高炉卷扬机、民用电梯、轧机升降台、以及油田抽油机等，都是典型的提升机械。这类设备大多采用绕线式电动机作为主驱动，用于提升或下放重物，具有典型的位能负载特性。
由于启动及调速成等方面的需要，通常都是在绕线式电动机的转子回路串接电阻，从而降低电机启动电流，并实现电动机的分级调整。这种控制方式带来如下弊端：
1、转子回路串接电阻，消耗电能，造成能源浪费。
2、电阻分级切换，实现有级调速，设备运行不平稳，引起电气及机械冲击。
3、再生发电时，机械能回馈电网，造成电网功率因数低。尤其在供电馈线较长的应用场合，会加大变压器、供电线路等方面的投资。
4、接触器频繁投切，电弧烧伤触点，影响接触器的使用寿命，设备维修成本较高。
5、绕线电动机滑环存在的接触不良问题，容易引起设备事故。
随着交流电动机变频调速器的应用和普及，人们已开始淘汰绕线式电动机转子回路串电阻调速这一落后的调速方式，采用先进的变频调速技术取而代之，实现了提升机械的平滑调速和节能运行，并将电网侧功率因数提高到0.95以上，同时省去了调速接触器、正反转接触器等软件，完全解决了传统提升机械的存在的固有缺陷，使设备性能行到极大提高。
二、位能负载的调速特性
提升机械用于提升或下降位能负载，无论是过平衡或欠平衡配置，必然存在电动和再生发电两个工作区，其调速特性如图一和图二所示。
图一 转子回路串电阻的调速特性 图二 交流变频调速特性
如图所示，绕线式电动机转子回路串接电阻调速时，通过电阻的分级切换和正反转接触器切换，实现有级调速和正反转控制。其中，工作点１和工作点２为电动状态，工作点３为能耗制动状态，工作点４为再生发电机状态。
变频调速特性为一组平行的曲线，同于变频器的频率可以连续可调，因而能够实现平滑无级调速。图二中１区为电动区，２区为再生发电区，电能回馈至变频器的直流侧，通过制动组件泄放。
三、变频器的容量选择
提升机械采用变频器进行控制时，可以迁用鼠笼型电动机，对于原使用绕线式电动机的提升机械，可将绕线式电动机的转子短接，当作笼型电机使用。常用的电动机为ＹＺ系列鼠笼型电动机和ＹＺＲ系列绕线型电动机，这两个系列的电动机，都是以工作制Ｓ３及负载持续率40%的定额作为基准定额。电动机的额定值选定后，应选择相应的变频器容量。
ＹＺ和ＹＺＲ系列电动机的过载力矩一般为2.2-2.8倍，为了充分发挥电动机的负载能力，提高起重设备的安全性能，采用变频器进行控制后，必须保证变频器－电动机系统具有2.2-2.8倍的过载能力。由于普通变频器的过载能力一般为150%一分钟，瞬态过载力矩只能达到180%－200%，因此必须提高所适配的变频器容量，以便提高变频器－电动机系统的瞬时过载能力。
由上述可知，只要把变频器的容量提高20%左右，即可使变频器－电动机系统的瞬时过载能力提高到2.0-2.4倍，基本满足要求。因此，应选择变频器额定容量为电动机额定容量的120%以上，即把变频器的容量提高一个等级。如45KW的电动机，应配置55KW的变频器，且变频器应具有较大的过载能力，过载率在150%一分钟以上。
四、制动组件的合理选用
如图三所示，再生发电时机械能被转换成电能，回馈到变频器直流侧的电容器上，其结果将使直流回路的电压升高，当电压升高到某一设定值（如750V），制动单元自动控制放电用开关管导通，电能向制动电阻上泄放。制动单元动作后，泄放的能量大于回馈能量，直流回路的电坟开始下降，当它下降到某一设一值（如630V），则制动单元自动控制放电用开关管关闭，停止放电。这一充电与放电过程由变频器和制动组件自动完成，维持直流回路电压在一个安全的范围之内。
由上述可知，选择制动组件的基本原则是：
1、制动组件的最大瞬时放电能量大于等于最大瞬时回馈能量。
2、制动组件的平均放电能量大于等于平均回馈能量。
通常，制动组件的最大瞬时放电能力由其放电开关管的额定电流所决定，而平均放电能力则取决于制动电阻的额定功率大小。
以工矿企业常用的行吊为例，说明制动组件的选取方法。
图三 变频系统示意图
图四是一个典型的行吊作业速度图。行吊在某个地点以速度Ｎ１提升重物，平移到另一个地点，然后以速度Ｎ１下放重物，再回到原地继续作业，如此往复。设工作周期为Ｔ，在下放重物时电动机再生发电，持续时间为Ｔｂ，重物在电动机轴上形成的负载转矩为Ｍｚ，机械效率为η，则：
最大瞬时回馈能量pm=ηMzN1
制动时间Ｔｂ内的平均回馈能量Ｐｂ＝ηMzN1
周期Ｔ内的平均回馈能量Ｐａ＝ηMzN1Tb/T
按下弄算法选取组件的额定参数：
1、放电开关管额定电流Ibe
《位能负载条件下的变频调速系统设计》
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