吊车变频调速系统设计(2)

内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)

第一章 绪论

1.1 多功能吊车电气传动技术的国内外发展概况

电气调速控制的方法很多，对直流驱动来讲60年代采用发电机—电机系统。从控制电阻分级控制，到交磁放大控制，到可控硅SCR激磁控制，到主回路可控硅即晶闸管整流供电系统。随着电子技术的飞速发展，集成模块出现，计算机、微处理器应用，因此控制从分立组成模拟量控制发展至今天的数字量控制。

从交流驱动来讲：常规的常采用绕线式电动机转子串电阻调速，为满足重物下放时的低速，一般依靠能耗制动、反接制动，后来还采用涡流制动，还有靠转子反馈控制制动、反接制动、单相制动器抱闸松劲的所谓软制动，随着电子技术的发展，国内外开发研制变频调速，PLC 可编程序控制器的应用控制系统的性能更加完美。目前国内外几种常用调速系统配置及其性能：

（l) DC-300直流驱动调速系统：GE公司DC-300，DC-2000是微处理器数字量控制的直流驱动调速系统，其控制功率从300HP到4000HP，并采用PLC对整机驱动系统实施故障诊断、检测、报警及控制。

（2) 交流调速控制系统：对于起重机械来讲，交流驱动仍是国内普遍采用的方案而且多数停留在绕线式电机转子串电阻来调速。随着功率电子技术的发展，早在六十年代后期，国外就开始致力于晶闸管定子调压调速技术的开发研究。目前，该技术已进入了成熟稳定的发展应用阶段。借助电力电子技术、微电子技术的发展，由分离元件发展到大规模集成电路，从而实现控制部件的微型组件化、智能化、标准化、系列化，进而从模拟量控制发展到数字量控制。可编程序控制器PLC引入到交流电气传动系统后，使传动系统性能发生了质的变化。在吊车实现了抓斗的自动控制和故障诊断、检测显示等，达到了新的技术高度。

（3) 变频调速：变频调速技术是国际上各大电气公司在70年代末80年代投入全力研制、开发，也是国际国内这几年全力研制应用的目标与方向。这几年一些公司如德国SIEMENS，美国GE，日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起升机械、电梯等位能负载控制成为现实。目前，变频调速的控制方法有恒压频比控制，转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得

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到了不同程度的应用，但其控制性能有一定的差异。

变频器使下降过程各机械减速制动中，将动能和位能转化为电能反馈电网，达到理想的节能指标，同时确保工况正常运行，上述发展己完成了产品系列化上市，对 “变频”装置在技术上以及经济上与其他驱动装置竞争将有明显的优势。同时随着PLC系统的不断成熟与完善，以及大容量变频器在位能负载上的成功应用，变频调速系统必将成为未来调速市场的主流。

1.2 传统吊车控制系统的特点和存在问题

吊车作为物料搬运机械在整个国民经济中有着十分重要的地位，经过几十年的发展，我国吊车制造厂和使用部门在设计、制造工艺、设备使用维修、管理方面，不断积累经验，不断改造，推动了吊车的技术进步。但在实际使用中，结构开裂仍时有发生。究其原因是频繁的超负荷作业及过大的机械振动冲击所引起的机械疲劳。因此，除了机械上改进设计外，改善交流电气传动，减少起制动冲击，也是一个很重要的方面。由于传统吊车的电控系统采用转子回路串接电阻进行有级调速，致使机械冲击频繁，振动剧烈，因此电气控制上应采用平滑的无级调速是解决问题的有效手段。

传统的吊车驱动方案一般采用：（1）直接起动电动机；（2）改变电动机极对数调速；（3）转子串电阻调速；（4）涡流制动器调速；（5）可控硅串级调速；（6）直流调速。前四种方案均属有级调速，调速范围小，无法高速运行，只能在额定速度以下调速：起动电流大，对电网冲击大；常在额定速度下进行机械制动，对起重机的机构冲击大，制动闸瓦磨损严重；功率因数低，在空载或轻载时低于0.2~0.4，即使满载也低于0.75，线路损耗大。可控硅串级调速虽克服了上述缺点，实现了额定速度以下的无级调速，提高了功率因数，减少了起制动冲击，价格较低，但目前串级调速产品的控制技术仍停留在模拟阶段，尚未实现控制系统具有很好的调速性能和起制动性能，很好的保护功能及系统监控功能，所以有时采用直流电动机，而直流电动机制造工艺复杂，使用维护要求高，故障率高。

由于传统吊车的电控系统通常采用转子回路串接电阻进行有级调速，尽管起动性能与调速性能较交流鼠笼型电动机有很大改善，但由于采用有级调速，依然存在以下问题：

（1）控制档位较多时，控制电路复杂，系统的故障率较高； （2）在换档时依然存在电流与转矩冲击，重载情况下尤为突出；

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（3）低速定位时由于采用“倒拉反接制动”运行方式，转子中串入了较大电阻导致机械特性变得很软，低速定位困难；

（4）能量损耗大，特别是重载低速时的损耗尤其严重。

1.3 吊车调速技术的发展现状

电动机的调速经过了很长时间的演变过程，一直以来人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及计算机技术的普及应用，交流电动机的调速方式在近20年内取得了飞速发展，调速技术已经日趋成熟。

根据异步电机的知识，电动机的转速可以用公式表示为：

n?60f(1?s) p其中：n—异步电动机的转速，单位为r/min； f—定子的电源频率，单位为Hz； s—电机的转速滑差率； p—电机的极对数。

由上面的公式，我们不难看出，要改变电机的速度，我们可以通过如下的方法：（1）改变极对数的调速；（2）改变转差率调速；（3）变频调速。

旋转磁场的速度与定子的极对数有关，定子绕组进行切换就可以改变极对数，从而改变转速。但是从低极对数（高速）变换到高极对数，电机的实际速度会大幅度下降，如果切换速度很快，电机将会经历一个发电阶段，从而在电机及机械装置上产生较大的反向转矩。改变磁极对数方式属于有极调速，调速范围小。目前，在吊车上已经很少应用这种方式。

改变转差率调速是目前吊车上应用较多的调速方式，转子串电阻、定子调压调速等均为这种调速方式，尤其是转子串电阻调速方式更为普遍。该方式依赖绕线电机转子部分串不同阻值的金属电阻来消耗部分能量以达到调速效果，但在低速区具有稳定性差、出力不足的缺点，在重载下降时要有第三方制动即拖拽才能保证重载不溜钩，这种制动方式常有能耗制动、涡流制动、单相制动等。由于采用了第三方的拖拽对电机的冲

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击较大，在能耗和单相制动要对电机注入直流电流和不平衡电流，在频繁使用过程中会使电机的温度过高，影响电机的绝缘寿命，加速了电机的老化过程。在机械平稳方面也由于制动的冲击力使振动加剧，加速了机械疲劳过程。

随着电气设备自动化控制要求及可靠性的不断提高，变频器在各行各业中的应用越来越广泛。国内起重机采用变频器进行调速控制大概是从20世纪90年代初期，由于其较于传统起重机控制方式具有显而易见的优势，因此很快被起重机广大用户所接受。早期在吊车上应用的变频器多用于行走机构（即大、小车运行机构），随着变频技术的不断发展，以及各变频器生产厂家对高性能变频器从软、硬件的不断开发，在起升机构的应用也逐渐增多。变频器将发展逐渐取代直流调速而成为调速领域的领跑者。

1.4 本课题的研究意义和内容

本课题中以智能吊车作为研究实体，由上可知，传统吊车的控制系统主要采用交流绕线转子串电阻的方法进行启动和调速，这种控制系统存在着很多缺点， 要从根本上解决这些问题，只有彻底改变传统的控制方式。近年来，随着计算机技术和电力电子器件的迅猛发展，同时也带动电气传动和自动控制领域的发展。其中，具有代表性的交流变频调速装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在吊车系统提供了有利条件。变频技术的运用使得吊车的整体特性得到较大提高，可以解决传统桥式起重机控制系统存在诸多的问题，变频调速以其可靠性好，高品质的调速性能、节能效益显著的特性在起重运输机械行业中具有广泛的发展前景。

由于吊车行业的特殊性，变频调速系统的应用相对滞后。采用变频调速取代传统的吊车控制系统是最近才开始应用的新技术。无论是在吊车老产品还是新产品设计，变频调速都是优选方案。变频调速装置的先进性能特别适用于吊车的恶劣工况，对改善起重机的调速性能，提高工作效率和功率因数，减小起制动冲击以及增加起重机使用的安全可靠性是非常有益的。相比较发达国家而言，我国的相关技术水平差距较大。主要技术难度体现在：对起重机对电控系统运行的稳定性和可靠性要求愈来愈高，吊车的起重量及运行速度等技术参数越来越大，起重机的自动化程度越来越高，吊车对管理和通讯的性能要求越来越严格。为此，有必要对吊车电控系统的应用研究。由变频器构成的交流调速系统可取代直流调速系统，是随着计算机技术特别是大规模集成电路制造技术的不断发展的必然结果，符合吊车的发展趋势，适合发展大起重重量的吊车；提高工作速

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度、扩大调速范围；提高金属结构、机构和电气设备的可靠性和使用寿命；改善司机操作的条件，保证作业安全，提高自动化控制程度和扩大远距离控制系统的使用范围尤其是把它们应用到作业频繁的仓库堆垛吊车和环境恶劣的冶金吊车上。也符合吊车向大型化、 高效率化、无保养化和节能化发展，向自动化、智能化、集成化和信息化发展的方向。

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