起重機變頻調(diào)速矢量控制研究

文:韓紅敏2017年第二期

導語:隨著現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用,使變頻調(diào)速控制系統(tǒng)日趨成熟。傳統(tǒng)的橋式起重控制系統(tǒng)主要采用繼電器接觸器進行控制,采用交流繞線串電阻的方法進行啟動和調(diào)速,這種控制系統(tǒng)存在可靠性差,故障率高,效率低等缺點。

前言

    橋式起重機在冶金企業(yè)及其它行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用,其作用主要用來實現(xiàn)物體的升降和轉(zhuǎn)運,橋式起重機工作環(huán)境惡劣,工作任務(wù)重。它能否正常工作直接影響到生產(chǎn)效率提高和工作任務(wù)的完成,甚至關(guān)系到人身、設(shè)備的安全。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國橋式起重機制造廠和使用部門在設(shè)計、制造工藝、設(shè)備使用維修、管理方面,不斷積累經(jīng)驗,不斷改造,推動了橋式起重機的技術(shù)進步。但在實際使用中,結(jié)構(gòu)開裂仍時有發(fā)生。究其原因是頻繁的超負荷作業(yè)及過大的機械振動沖擊所引起的機械疲勞。因此,除了機械上改進設(shè)計外,改善交流電氣傳動,減少起制動沖擊,也是一個很重要的方面。

    傳統(tǒng)的起重機驅(qū)動方案一般采用:(1)直接起動電動機;(2)改變電動機極對數(shù)調(diào)速;(3)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速;(4)渦流制動器調(diào)速;(5)可控硅串級調(diào)速;(6)直流調(diào)速。前四種方案均屬有級調(diào)速,調(diào)速范圍小,無法高速運行,只能在額定速度以下調(diào)速;起動電流大,對電網(wǎng)沖擊大;常在額定速度下進行機械制動,對起重機的機構(gòu)沖擊大,制動閘瓦磨損嚴重;功率因數(shù)低,在空載或輕載時低于0.2-0.4,即使?jié)M載也低于0.75,線路損耗大。目前串級調(diào)速產(chǎn)品的控制技術(shù)仍停留在模擬階段,尚未實現(xiàn)控制系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能和起制動性能,很好的保護功能及系統(tǒng)監(jiān)控功能,所以有時采用直流電動機,而直流電動機制造工藝復雜,使用維護要求高,故障率高。

    本文所研究的橋式起重機是電動雙梁橋式起重機,該起重機由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運行機構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個部分組成。機構(gòu)主要指主起升機構(gòu)、副起升機構(gòu)、小車運行機構(gòu)、大車運行機構(gòu)。應(yīng)現(xiàn)場工作人員的要求,為照顧操作習慣,起重機的轉(zhuǎn)速控制仍采用原來的主令控制器和凸輪控制器。利用主令控制器的五對觸頭,來得到變頻器輸出的6種轉(zhuǎn)速。電機加減速的時間可以通過變頻器的設(shè)定來進行改變。在電氣控制系統(tǒng)中,其供電一般是通過電纜卷筒將電源輸送到中心電器上,起重機機為低壓供電系統(tǒng),電氣控制部分集中在操作室和電氣房內(nèi),安全保護裝置裝在在適當?shù)奈恢蒙稀?/p>

1、變頻調(diào)速的基本原理

    圖1恒壓頻比控制特性

2、變頻器的控制電路構(gòu)成

    包括主控制電路、信號檢測電路、門極驅(qū)動電路、外部接口電路以及保護電路等幾個部分,是變頻器的核心部分。控制電路的優(yōu)劣決定了變頻器性能的優(yōu)劣。控制電路的主要作用是完成對逆變器開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能。

    隨著電力半導體器件和微型計算機控制技術(shù)的迅速發(fā)展,促進了電力變頻技術(shù)新的突破性發(fā)展,70年代后期發(fā)展起來的脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM)技術(shù)成了現(xiàn)在最常用的變頻器功率開關(guān)器件的控制策略。SPWM(SinusoidalPWM)則是較為常用的技術(shù)。其通常是采用調(diào)制的方法,即把正弦波作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載被,通過對載波的調(diào)制即可得到SAM波形。通常采用等腰三角波作為載波,因為等腰三角波上下寬度與高度線性關(guān)系,且左右對稱,當它與正弦波調(diào)制信號相交時,如在交點時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷,就可以得到寬度正比于正弦波幅值的脈沖,這正好符合SPWM控制的要求。三角載波的頻率fc,和正弦調(diào)制波的頻率fr,之比即fc/fr=Nc稱為載波比。用生成的SPWM波控制逆變器開關(guān)器件的通斷,可得到等幅且脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖列輸出電壓。正弦調(diào)制波的頻率fr,即是逆變器的輸出頻率f1改變fr,便可改變f1三角載波的幅值為恒定,因而改變正弦調(diào)制彼的幅值就改變了矩形脈沖的面積,由此實現(xiàn)輸出電壓幅值的改變

3、變頻調(diào)速矢量控制

    矢量控制的基本思想是:將異步電動機的物理模型等效變換成類似直流電動機的模型,再仿照直流電動機去控制它,等效的原則是在不同坐標中產(chǎn)生的磁動勢相同。

    由電動機原理可知,異步電動機三相定子繞組電流在空間產(chǎn)生一個角速度為ω1的旋轉(zhuǎn)磁場。若有兩個互相垂直的M繞組和T繞組與旋轉(zhuǎn)磁場同步旋轉(zhuǎn),繞組中分別通以直流電流iM和iT,產(chǎn)生的磁動勢可以與三相合成磁動勢等效且炳個磁動勢有相同的幅值、轉(zhuǎn)速和方向。又令M繞組的軸線與三相合成旋轉(zhuǎn)磁場方向平行,則iM相當于電動機的勵磁電流分量iT,相當于電動機的轉(zhuǎn)矩電流分量,調(diào)節(jié)iM的大小可以在磁場一定時改變轉(zhuǎn)矩。由這樣繞組組成的電動機其控制原理與直流電動機控制原理相同。

    在實際的等效變換中,先將異步電動機在三相靜止坐標系下的定子電流iA、iB、ic通過三相/兩相變換,等效變換,等效為兩相靜止坐標系下的交流電流iα、iβ再通過磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換,等效為同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的直流電流iM、iT。等效的電動機繞組模型如圖2所示。

 

4、變頻器的選用

    本系統(tǒng)選用西門子變頻器,西門子變頻器具有較合理的價格,完整的理論計算書及輔件推薦值,有利于用戶合理選用。

    起升機構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)距一般來說可為額定力矩值的1.3-1.6倍。考慮到電源電壓波動因素及需通過125%超載試驗要求等因素,其最大轉(zhuǎn)距必須有1.8-2倍的負載力矩值,以確保其安全使用的要求。等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值,為此可通過提高變頻器容量(Yz型電機)或同時提高變頻器和電機容量(Y型電機)來獲得200%力矩值。此時變頻器容量為

    表1各機構(gòu)的變頻器參數(shù)

 

變頻器型號

額定功率/電流

主起升機構(gòu)

6SE70272-ED61

37KW/48A

副起升機構(gòu)

6SE70274-7ED61

22KW/47A

大車運行機構(gòu)

6SE6440-2AD31

15KW/30A

小車運行機構(gòu)

6SE6440-2AD25

5.5KW/11.6A

5、結(jié)論

    根據(jù)要求,此系統(tǒng)要能達到現(xiàn)場的運行狀況、運行數(shù)據(jù)都可以在司機控制室掌握,用戶在控制室可以通過人機界面來設(shè)置變頻器的運行頻率、啟動和停止電機,并且變頻器的故障信息可以在人機界面上反映出來,以用來提示用戶。采用變頻器實現(xiàn)起重機電機的調(diào)速運行,結(jié)合PLC的強大功能、可靠性以及基于組態(tài)軟件所開發(fā)出來的良好人機界面和通信能力,實現(xiàn)在司機控制室對電機的遠程控制運行參數(shù)調(diào)節(jié)。

中傳動網(wǎng)版權(quán)與免責聲明:

凡本網(wǎng)注明[來源:中國傳動網(wǎng)]的所有文字、圖片、音視和視頻文件,版權(quán)均為中國傳動網(wǎng)(www.siyutn.com)獨家所有。如需轉(zhuǎn)載請與0755-82949061聯(lián)系。任何媒體、網(wǎng)站或個人轉(zhuǎn)載使用時須注明來源“中國傳動網(wǎng)”,違反者本網(wǎng)將追究其法律責任。

本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明其他來源的稿件,均來自互聯(lián)網(wǎng)或業(yè)內(nèi)投稿人士,版權(quán)屬于原版權(quán)人。轉(zhuǎn)載請保留稿件來源及作者,禁止擅自篡改,違者自負版權(quán)法律責任。

如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題,請在作品發(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系,否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。

伺服與運動控制

關(guān)注伺服與運動控制公眾號獲取更多資訊

直驅(qū)與傳動

關(guān)注直驅(qū)與傳動公眾號獲取更多資訊

中國傳動網(wǎng)

關(guān)注中國傳動網(wǎng)公眾號獲取更多資訊

熱搜詞
  • 運動控制
  • 伺服系統(tǒng)
  • 機器視覺
  • 機械傳動
  • 編碼器
  • 直驅(qū)系統(tǒng)
  • 工業(yè)電源
  • 電力電子
  • 工業(yè)互聯(lián)
  • 高壓變頻器
  • 中低壓變頻器
  • 傳感器
  • 人機界面
  • PLC
  • 電氣聯(lián)接
  • 工業(yè)機器人
  • 低壓電器
  • 機柜
回頂部
點贊 0
取消 0
往期雜志
  • 2025年第三期

    2025年第三期

    伺服與運動控制

    2025年第三期

  • 2025年第二期

    2025年第二期

    伺服與運動控制

    2025年第二期

  • 2025年第一期

    2025年第一期

    伺服與運動控制

    2025年第一期

  • 2024年第六期

    2024年第六期

    伺服與運動控制

    2024年第六期

  • 2024年第五期

    2024年第五期

    伺服與運動控制

    2024年第五期