武都县机械厂大型设备电气系统改造可行性分析

1．原因

因生产所需，我公司于95年安装了一台10T龙门吊，用于露天货物的吊装。由于其电气控制系统采用传统的电阻切换方式来改变电机转速，设备投入运行后，出现的问题较多，如：设备运行时振动厉害，造成机械、电气设备的故障较多，滑线系统工作不稳定，容易出现断电等故障。为了彻底改变这种状况，2000年本人参与了龙门吊的整个电气系统的改造、调试、运行工作，并于2001年设计安装了新型滑线系统，到现在为止运行状况良好。

2．龙门吊变频器系统的设计、应用及运行分析

2．1 传统的龙门吊电气控制系统：

传统的龙门吊系统中吊钩、小车、大车电机的调速采用在电机转子回路中加减电阻的方式，主控回路接线复杂，而且需要安装许多电气设备如：电阻器、操作器、动力箱等。设备在使用过程中，因起动时转速较高，大车有时会打滑、振动，即使在运行过程中，也是振动剧烈。这样不仅使电气设备的连接点经常脱落，也缩短了机械设备的使用周期，增加了运行的成本。自从95年设备投入运行后，经常出现短路故障或接地故障，经过认真分析，认定是剧烈振动造成电缆绝缘破损引起的。为了解决这些问题，在检修中，注意了电缆绝缘的防护，连接点的紧固等，但故障率没有明显下降趋势。

2．2 变频器在电机调速方面的应用：

我公司应用变频器的时间较早，但多用于风机、水泵、绞龙等设备的电机调速。变频器利用晶闸管作为开关元件，广泛应用于交流电动机的调速和节能，通常由整流器、直流回路、逆变器组成，通过改变逆变器的输出频率来改变电动机的转速，如式：

n=60f(1-s)/P

式中P：电机极对数；

f ：频率；

n ：转速

s ：转差率

通过公式可以看出，电机的转速与输入频率成正比关系，当电机转差率和极对数不变时，通过改变输入电源的频率可以相应的改变电机转速。变频器有以下几个优点：①应用范围广：可应用于风机、水泵、升降机等不同性质的负载；②参数设定方便灵活，可任意改变对电机的控制方式；③具有故障显示功能，方便查找故障原因；④变频器属软起动设备，使设备能平稳起动，减少对机械设备的冲击，避免振动；⑤变频器具有节能的优点。

经过以上的研究分析，我们决定采用变频技术来改造原龙门吊电气系统，它包括吊钩、大车、小车三个部分。为了节约投资，这三部分设备还是采用原来的电机，只是要将原电机转子回路的引出线短接，相当于一台鼠笼式异步电动机。主回路的设计比较简单，将原来用于切除电阻的控制台、电阻器全部拆掉，用变频器来控制电机的转速（如图1所示）。龙门吊大车四个支脚上各有一台11KW的电机，为了保证电机的同步运行，将其统一由一台变频来控制，因此大车选用伦茨45KW变频器。吊钩有两台22KW的电机，但不同时开，每次只能开一台，用K1，K2来切换，因此变频器选用伦茨22KW的变频器一台；小车电机11KW，也是选用伦茨变频。另外这三台设备都有抱闸，设计原理是这样的：当变频的输出转矩达到一定数值时，闭合变频器上的联锁接点，来打开抱闸，使设备正常运行，当变频器停止运行时，联锁接点打开，从而使抱闸将设备制动。设计过程中，考虑了吊钩的机械特性，并在变频的控制中加以实现。

2．3 特性分析：

吊钩系统属位能性恒转矩负载，在任何转速下，负载转矩总是保持恒定或大致恒定（如图2所示），吊钩电机在原控制方式下启动时，转子绕组中串接电阻，使启动力矩增大，

当吊有重物时，启动电流较大，产生的力矩克服重物的向心力，使电机迅速启动（特性如图3所示），转子绕组中串的电阻越多，转速越低。当吊钩电机在变频调速方式下运行时，特性如图4所示，当变频输出的频率增大时，电机转速增加，输出电压也随着增大，完全满足了吊钩的运行要求。只是，当吊钩上有重物时，变频在启动过程中虽然也可以输出很大的转矩，但不能克服重力加速度使重物上升，这就需要变频器在起动时输出足够的转矩。根据变频器的功能说明，将门频率设定为3HZ，也就是说当变频器的输出达到门频率时，才打开抱闸，使变频能够输出足够大的电流来克服重力的影响。另外，吊钩电机属重载应用，惯性很大，在制动时，容易产生强大的回馈能量，致使直流回路电压升高，使变频器过压跳闸，甚至损坏变频器。解决的方法有：一方面，应选用较大容量的变频；另一方面，必须给变频器加装相配容量的制动电阻和制动单元，将回馈的能量在电阻上消耗掉。而电阻的选择也需要对照说明书认真选择，我们为吊钩变频选用的是4只并联的36欧姆的大容量电阻器，而且要在安装时注重散热和防火，在制动单元的上下各留有足够的空间以加强散热。

2．4变频器接线方式及参数设定：

吊钩电机、大车电机、小车电机的变频调速控制方式基本相同，但他们的参数设定有所不同。吊钩的控制方式如图5所示，变频器的输入控制端子分为+24V、吊钩正转、吊钩反转、加速等，通过控制室内的开关来实现对电机转速的平滑控制，当操作手柄指向正或反转时，变频器相应做出调节。大车、小车的变频控制可参照吊钩的控制图。吊钩的参数设定为：低速：15HZ，加速时间：10S，这样的设定使吊钩在启动时较平稳。在控制中，加速开关可以使转速在8S内达到最高转速，吊钩变频最高转速设定为40HZ，大车最高转速为

35HZ。同时在变频器的控制回路中加了限位开关，以防机械设备在运行中超出行程，烧毁电机或损坏机械设备。为满足吊钩的负载应用，变频器的参数中将电子继电器的整定值设为1.5倍的额定电流。为了能使吊钩、大车、小车的变频正常运行，需要将电机铭牌上的数据，如：电压、额定电流、极数、转速等，输入到变频里。吊钩选专用于提升的变频，其内部的大部分设定已自动设置，这是与其他电机变频的最大不同处。变频器的输出是一系列高电压脉冲波形，他会在很短的上升时间内产生1.35倍于主电网电压的脉冲电压。过大的电压上升率和过高的电压峰值不仅会对电机绝缘形成很大的破坏作用，而且还会在电机内部产生轴承电流，损坏轴承表面，增大电机噪声，缩短电机寿命，可通过在输出端使用du/dt滤波器来避免或降低上述损害，延长电机使用寿命。为减少电感性负载如继电器在电流切换时引起电压瞬变，还要在变频器的常开接点控制的抱闸线圈上并联压敏电阻（250V）保护，以防产生尖峰电压（如图6所示）。为避免干扰，变频器的负荷电缆和控制电缆要用屏蔽电缆，并在安装时，将屏蔽电缆层分别与变频器的PE保护接地线相连。为使变频器正常运行，还需将速度给定电压信号直接接入输入端，否则变频在外部控制状态时就不能运转。变频器在安装时应并列放置，上下端都必须留有10cm的通风区域，以加强散热。

2．5 调试：

设备安装完毕后，需要在现场进行各项参数的调试。这一过程非常重要，因为有一些参数和现场不是很配合，影响了设备的工作效率。大车、小车变频转速的调试需要和将来的使用人员一起来调节，必须满足他们的操作习惯和操作速度。在试车时，应特别注意大车四台行走电机的转向，必须将他们统一起来，否则会造成不同步，损坏机械设备。在调试过程中，抱闸的打开时间受电气、机械配合两个方面的影响。抱闸的打开时间过早会使吊钩下滑，造成危险；抱闸的机械机构如果调整不好会使设备的制动不精确，机械惯性还会造成变频器过高的逆变电压，造成设备过压跳闸。总体来讲，变频器投入运行后，经过一段时间的调试，在起动方面显示了其良好的性能，四台大车电机无打滑现象，以前的震动也明显下降，吊钩、大车、小车操控灵活，启动平稳，达到了设计、改造的要求。

2． 6运行分析：