门座起重机旋转机构电气控制线路设计

1．机电传动方案的分析与拟定

1.1旋转机构特性分析

旋转机构的作用是使起重机的回转部分作回转运动，以达到水平面内运移货物的目的，要求旋转机构可做360°回转作业。该机构为双电动机驱动，电动机功率为37KW，额定电流为70A。因门机需左旋（右旋），故要求电动机能正反方向运行；起动分四级起动，且有调速要求，但调速要求不高，现一般采用变频器实现分级起动和调速控制。两台电动机通过大齿盘啮合，忽略齿隙影响后，则不可能产生瞬时速度差，更不可能产生积累角位移差，故对双电动机同步运行要求也不高。但旋转机构的转动惯量特别打，该机构虽属于频繁作业设备，但其平均作业时间短于提升机构，不是影响作业效率的关键机构，不必按电动机过载能力选择变频器。

1.2变频调速方案的分析与设计

1.2.1变频调速原理

交流电动机的转速表达式： n＝60f(1－s)/p

式中n———异步电动机的转速；

f———异步电动机的频率；

s———电动机转差率；

p———电动机极对数。

由式子可知，改变定子电源频率可以改变同步转速和电动机的转速。转速n 与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0～50Hz 的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。

1.2.2变频调速控制方式分析

低压通用变频输出电压为380～650V，输出功率为0.75～400kW，工作频率为0～400Hz，它的主电路都采用交—直—交电路。变频器变频的控制方式现有恒定压频比（V/F）控制变频调速，矢量控制（FOC）变频调速和直接转矩控制变频调速三种控制方式，在进行调速控制时，可以通过控制变频器的输出频率使电动机工作在转差率较小的范围，电动机的调速范围较宽，调速时稳定性好并可以达到提高运行效率，获得长期的经济效益的目的。一般来说，通用型变频器的调速范围可以达到1：10以上，U/f控制方式调速范围可以达到1：40，高性能的

矢量控制方式的变频器的调速范围可以达到1：1000。

1.2.2.1U/f控制方式：

由n＝60f(1－s)/p以及异步电动机的电势可知外加电压近似与频率和磁通的乘积成正比，即U∝E=CfФ，由于C为常数，则Ф∝E/f≈U/f，因此，若外加电压不变，则磁通随频率改变而改变，亦即频率降低，则磁通增加;频率增加，则磁通降低。显而易见，前者有可能造成电动机的磁路过饱和，从而导致励磁电流的增加而引起铁心过热。为了解决这亦问题，这就要求在变频调速系统中，降低频率的同时最好降压，即频率与电压能协调控制，亦即U必须与f成比例的变化。

一般来说，在恒转矩变频调速系统中，如能保持U/f=定值，则可保证调速过程中电动机的过载能力保持不变，同时，可满足磁通Ф基本不变的要求。而在恒功率调速时，如能满足U/f=定值的条件，则调速过程中电动机的过载能力也能保持不变，但此时磁通将发生变化，如果此时亦按恒转矩调速满足U/f=定值的条件，则磁通将基本保持不变，但电动机的过载能力将在调速过程中改变。从而根据U/f协调控制的方法不同，可以有不同的调速特性。

1.2.2.2矢量控制方式：

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Ia1、Ib1，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。矢量控制方法的提出具有划时代的意义。然而在实际应用中，由于转子磁链难以准确观测，系统特性受电动机参数的影响较大，且在等效直流电动机控制过程中所用矢量旋转变换较复杂，使得实际的控制效果难以达到理想分析的结果。

一般来说，起重机的起升机构选用高性能磁通矢量控制开环或闭环变频调速方案，而平移机构中采用恒定压频比（U/F）控制的开环或闭环变频调速方案。

本设计中采用恒定压频比（U/F）控制，因为其控制电路结构简单，控制容易实现，成本较低，它的变频机械特性基本上是向下平移，机械特性硬度也较好，能够满足一般传动的平滑调速要求硬度也较好，突出优点是可以进行电机的开环速度控制。在起重机中，回转机构虽属于频繁作业设备，但其平均作业时间短于提升机构，不是影响作业效率的关键机构，虽有调速要求，但调速要求不高，因此选用开环U/f控制。

1.2.3变频器选型计算

1.2.3.1变频器的选型：

在本次设计中，采用的变频器为安川—G5A系列变频器，因已确定使用U/F 控制，则可进一步选择只带有U/F控制模式的型号以降低成本。

1.2.3.2变频器规格的选择

原始数据：电动机的功率为37KW，额定电流为70A

因旋转机构不是影响作业效率的关键机构，不必按电动机过载能力选择变频器。按额定电流选择变频器规格：

I evf≥K1I d

式中，I evf是变频器额定电流；

I d是电动机额定电流；

K1是电流裕量系数，一般可取1.05~1.15。

A ，查表，故变频器选CIMR—G5A4075型号。本次设计中取K1=1.1, 则I evf154

1.2.4制动电路设计

通用变频器提供的制动方式主要有：能耗制动、再生制动、整流回馈等。本次设计对回转机构的制动方式采用能耗制动，在变频刚刚减小的瞬间，电动机的同步转速随之下降，而由于机械惯性的作用，转子转速未变。当同步转速低于转子转速时，转子电流的相位几乎改变180度，电动机此时处于发电机状态；与此同时，电动机轴上的转矩变成了制动转矩，使电动机的转速迅速下降，此时的电动机处于再生制动状态。在直流电压U超过一定值时，就要求提供一条“放电回路”把再生的电能消耗掉。此时通过消耗能量而获得制动转矩的，属于能耗制动状态。能耗制动的重要部件之一是制动部件BV，其作用是当直流回路电压UD超过规定的限值时，接通耗能电路，使直流回路经过RB释放能量。能耗制动电路