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浅析:通用桥式起重机变频调速系统电气基本配置及容量选择
lyc19730508 发表于 2011/1/24 10:24:39 1872 查看 3 回复 [上一主题] [下一主题]
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1 引言
伴随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的飞速发展，及中、小功率变频器的控制理论的成熟，变频调速的诸多优点愈来愈被广泛的认同，从而在工业上的应用也愈加广泛，在节能、省力化、自动化及提高生产率、产品质量等方面都取得了显著效果。
通用桥式起重机（行车）在冶金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，在确定了系统的组成、功能后，相关系统组成部件容量的选择就是比较重要的一步，因为若容量选择过大，势必出现“大马拉小车”的现象，造成浪费，且也不一定能发挥出系统设计的最佳性能；而若容量选择过小，又必然会出现系统不能正常工作,影响设备正常运行。因此，为了选择合适的电气元部件容量，下文主要浅析行车变频调速系统设计一般组成时各电气元部件容量的选择。
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lyc19730508 发表于 2011/1/24 10:25:16
2楼 回复本楼2 电动机、变频器、plc容量选择
2.1 电动机容量
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。两者电动机容量的选择也有些许的差别。
电动机容量的确定一般需要考虑以下的因素：
（1）所选电动机容量应大于负载所需要的功率；
（2）负载所需要的起动转矩与电动机的最大转矩相比，后者要有足够的裕量；
（3）即使电源电压降低了额定值的10%，电动机也足以能够输出所需的转矩；
（4）由于动力传动机构的效率以及负载的不一致，要留有适当的裕量；
（5）针对负载的性质，选择适合的电动机的运行方式（连续工作制、短时工作制、重复工作制）；
（6）考虑到电动机的使用寿命，应在规定的温升内使用。
考虑以上的因素，实际电动机容量的选择可依据下面的基本式求得：
电动机容量=（驱动负载所需的电动机功率pm）+（将负载加速/减速到所需速度的加速功率pac） （1）
驱动位能负载所需的电动机功率：
（2）
驱动磨擦负载所需的电动机功率：
（3）
将负载加速/减速到所需速度的加速功率：
（4）
式中: pm—驱动负载所需的电动机功率，kw；
pac—将负载加速/减速到所需速度的加速功率，kw；
w—负荷重量（额定重量+吊钩重量+钢丝绳重量），kg；
ν—额定速度，m/min；
ω—阻力系数，kg/t；
η—机械效率（约0.8~0.85）；
ta—加速时间，s。
2.2 变频器容量
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。选择变频器必须首先区分变频器是驱动一台电动机还是多台电动机。下面就一拖一和一拖多分别说明变频器容量的确定。
（1）一拖一方式
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
（5）
● 满足电动机容量
（6）
● 满足电动机电流
（7）
（2）一拖多方式
一定要保证变频器的额定输出电流大于所有电动机额定电流的总和。同时满足以下两个条件：
● 满足驱动时容量
（8）
● 满足电动机电流
（9）
注：电动机加速时间在1min以上时，须同时满足式（8）、（9）；电动机加速时间在1min以内时，式（8）、（9）中的变频器容量需以1.5倍来计算。
式中：
pinv—变频器额定容量，kva；
iinv — 变频器额定电流，a；
pm — 负载要求的电动机轴输出，kw；
ve — 电动机额定电压，v；
pc1— 连续容量，kva；
ie —电动机额定电流，a；
nt —并列电机台数；
ns — 电机同时起动台数；
im—电动机电流，a；
η—电动机效率(一般约0.85)；
ks—电机起动电流/电机额定电流；
cos—电动机功率因数（通常约0.75）；
k—电流波形补偿系数（pwm方式约1.05~1.1）。
2.3 plc 容量
plc容量的选取主要在于系统输入与输出点数的确定。当然，选取plc还必须考虑如下几个方面：
(1)系统需要plc实现什么功能，从而选取具有什么功能的plc；
(2)系统设计存在的特殊功能；
(3)系统对plc响应时间的要求；
（4）程序存储容量的估算；
（5）系统的可靠性；
（6）plc与外围设备的通信；
（7）可扩展性。
引用 lyc19730508 2011/1/24 10:25:16 发表于2楼的内容
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lyc19730508 发表于 2011/1/24 10:25:51
3楼 回复本楼3 变频器周边电气元件容量选择
3.1断路器
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。针对以上三个要素，为了避免系统误动作，断路器容量的选择可以参考如下公式进行计算：
(10)
式中：
ibr—断路器的额定电流，a；
p—变频器的额定输出功率，kw；
v—额定电压，v；
ρf—变频器输入功率因数（无输入电抗器时约为0.6~0.8，有输入电抗器时约为0.8~0.85）；
η—变频器效率（约为0.95）。
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≥（1.3~1.4）变频器额定电流 （11）
3.2 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：
（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 （12）
上面讲的电磁接触器是在变频器的输入侧，但在某些情况下，在变频器的输出侧也需要接入电磁接触器，如多台电机的切换运行、工频与变频的切换运行等。此种情况下，由于变频器的输出电流含有较强的谐波成份，所以输出侧电磁接触器容量的选择需满足下面的条件：
电磁接触器主触点的额定电流≥1.1×电动机额定电流 （13）
3.3 快速熔断器
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。
3.4 电抗器
3.4.1 电抗器的主要作用
电抗器有交、直流之分，但据其使用的目的不同，也可以分为输入用电抗器和输出用电抗器。
（1）变频器前级一般设置的是输入用、交流电抗器，其作用主要是：提高变频器的输入功率因数（可提高至0.75~0.85）；抑制输入电路中的浪涌电流；削弱电源电压不平衡的影响;减少变频器中整流单元产生的谐波电流对电网的干扰；能限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击，有效保护变频器。
（2）变频器主电路中(整流桥与滤波电容之间)接入的是直流电抗器，在变频器功率大于30kw时一般才考虑配置，可与交流电抗器同时使用。其作用主要是：提高变频器的输入功率因数（可提高至0.95）；减小输入电流的高次谐波成份;能有效限制短路电流；能使逆变环节运行更加稳定。
（3）变频器后级一般设置的是输出用、交流电抗器，是否配置要视工程实际情况而定。其作用主要是： 降低电动机噪声；可以补偿长线分布电容的影响，并能有效降低输出高次谐波的不良影响；有助于改善变频器的过电流和过电压；可以减少在电动机端子上产生的du/dt值。
3.4.2 电抗器的容量选择
电抗器的容量可按预期在电抗器每相绕组上的压降来决定，且一般压降选择为电网侧相电压的2%~5%。主要依据两个参数：额定电流il与电感量l。
（1）电抗器的额定电流il
● 单相变频器配置的电抗器额定电流按下式选取：
il=变频器的额定电流(iinv)
● 三相变频器配置的电抗器额定电流按下式选取：
il=0.82×变频器的额定电流(iinv)
（2）电感量l
l=(2%~5%)uv/(2πfil) (14)
式中:
uv—交流输入相电压有效值，v
f —电网频率，hz
电抗器的压降不宜取得过大，压降过大会影响电机的转矩。通常选取网侧相电压的4%，即8.8v已足够。
3.5 制动电阻及制动单元
3.5.1 制动电阻
制动电阻主要是起到消耗泵生电能，从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
制动电阻的阻值可以按照公式计算法和估算法来选取。
● 公式计算法
此法必须首先计算制动力矩，如下式：
(15)
式中：
tb—制动力矩，n·m；
jm—电动机转动惯量，kg·m2；
jl—负载转动惯量（折算到电动机轴），kg·m2；
tl—负载转矩，n·m；
n1—减速开始速度，r/min；
n2—减速完了速度，r/min；
ts—减速时间，s。
计算出制动力矩后，必须考虑到电动机在进行再生制动时，即使没有制动电阻，电动机内部也会有20%的铜损被转换为制动转矩，此时计算制动电阻的公式为：
(16)
式中:
rbo — 制动电阻预选值，ω；
ud — 直流回路电压，v；
tm — 电动机额定转矩，n·m。
制动电路是由制动电阻和制动三极管组成的，而电路电流的最大允许值是取决于三极管本身的允许电流ic的。所以制动电阻所能选取的最小值为：
（17）
式中：
rmin— 制动电阻最小值，ω；
ic — 制动晶体管允许电流，a。
故制动电阻的阻值应满足下面的条件：
rmin <rb< rbo （18）
式中: rb— 制动电阻，ω。
● 估算法
公式计算法虽然比较准确，但常由于电动机和负载的转动惯量的数据难以得到，给在实际进行计算时带来困难。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。因此，制动电阻的阻值估算公式如下：
（19）
式中: imn — 电动机额定电流，a
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。其计算公式为：
（20）
式中:
pbo— 制动电阻耗用功率，kw。
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：
pb=αbpbo （21）
式中：
pb—制动电阻功率，kw；
αb—制动电阻容量修正系数（一般取0.3~0.5）。
3.5.2 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。
3.6 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。
3.7 主电路电缆及控制线路
(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。线路压降可以通过下式求得：
(22)
式中：
v— 线路电压降，v；
r—单位长度的电线电阻，mω/m；
l—电线长度，m；
i—线路中电流，a。
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，在此不作详述。
引用 lyc19730508 2011/1/24 10:25:51 发表于3楼的内容
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lyc19730508 发表于 2011/1/24 10:26:04
4楼 回复本楼4 结束语
桥式起重机（行车）在冶金行业中有着广泛的应用，且随着近年来变频调速技术的快速发展，变频调速在行车上也取得了成功应用。电气元部件的正确配置及容量的正确选择在变频调速系统设计中是至关重要的一部分，若配置不得当或容量选择不正确，都会导致系统不能正常工作或损坏某些元件，所以本文着重介绍了通用桥式起重机变频调速系统的基本电气配置及容量选择。
引用 lyc19730508 2011/1/24 10:26:04 发表于4楼的内容
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