位能負載條件下的變頻調速系統設計

摘要：本文了位能負載的物理特性，控計了提升機械變頻調速系統的設計思想和分析，對變頻設備的合理選用進(jìn)行了．
關(guān)鍵詞：提升機　變頻調速　制動(dòng)
一、概述：
　　物品提升機械是國民各行業(yè)不可缺少的生產(chǎn)設備，在各工礦中大量使用，如工廠(chǎng)的行吊、港口碼頭的塔吊、礦井提升機、高爐卷?yè)P機、民用電梯、軋機升降臺、以及油田抽油機等，都是典型的提升機械。這類(lèi)設備大多采用繞線(xiàn)式電動(dòng)機作為主驅動(dòng)，用于提升或下放重物，具有典型的位能負載特性。
　　由于啟動(dòng)及調速成等方面的需要，通常都是在繞線(xiàn)式電動(dòng)機的轉子回路串接電阻，從而降低電機啟動(dòng)電流，并實(shí)現電動(dòng)機的分級調整。這種控制方式帶來(lái)如下弊端：
1、轉子回路串接電阻，消耗電能，造成能源浪費。
2、電阻分級切換，實(shí)現有級調速，設備運行不平穩，引起電氣及機械沖擊。
3、再生發(fā)電時(shí)，機械能回饋電網(wǎng)，造成電網(wǎng)功率因數低。尤其在供電饋線(xiàn)較長(cháng)的場(chǎng)合，會(huì )加大變壓器、供電線(xiàn)路等方面的投資。
4、接觸器頻繁投切，電弧燒傷觸點(diǎn)，接觸器的使用壽命，設備維修成本較高。
5、繞線(xiàn)電動(dòng)機滑環(huán)存在的接觸不良，容易引起設備事故。
　　隨著(zhù)交流電動(dòng)機變頻調速器的應用和普及，人們已開(kāi)始淘汰繞線(xiàn)式電動(dòng)機轉子回路串電阻調速這一落后的調速方式，采用先進(jìn)的變頻調速技術(shù)取而代之，實(shí)現了提升機械的平滑調速和節能運行，并將電網(wǎng)側功率因數提高到0.95以上，同時(shí)省去了調速接觸器、正反轉接觸器等軟件，完全解決了傳統提升機械的存在的固有缺陷，使設備性能行到極大提高。
二、位能負載的調速特性
　　提升機械用于提升或下降位能負載，無(wú)論是過(guò)平衡或欠平衡配置，必然存在電動(dòng)和再生發(fā)電兩個(gè)工作區，其調速特性如圖一和圖二所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　圖一　轉子回路串電阻的調速特性　　　　　　　　　　圖二　交流變頻調速特性
　　如圖所示，繞線(xiàn)式電動(dòng)機轉子回路串接電阻調速時(shí)，通過(guò)電阻的分級切換和正反轉接觸器切換，實(shí)現有級調速和正反轉控制。其中，工作點(diǎn)１和工作點(diǎn)２為電動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)３為能耗制動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)４為再生發(fā)電機狀態(tài)。
　　變頻調速特性為一組平行的曲線(xiàn)，同于變頻器的頻率可以連續可調，因而能夠實(shí)現平滑無(wú)級調速。圖二中１區為電動(dòng)區，２區為再生發(fā)電區，電能回饋至變頻器的直流側，通過(guò)制動(dòng)組件泄放。
三、變頻器的容量選擇
　　提升機械采用變頻器進(jìn)行控制時(shí)，可以遷用鼠籠型電動(dòng)機，對于原使用繞線(xiàn)式電動(dòng)機的提升機械，可將繞線(xiàn)式電動(dòng)機的轉子短接，當作籠型電機使用。常用的電動(dòng)機為ＹＺ系列鼠籠型電動(dòng)機和ＹＺＲ系列繞線(xiàn)型電動(dòng)機，這兩個(gè)系列的電動(dòng)機，都是以工作制Ｓ３及負載持續率40%的定額作為基準定額。電動(dòng)機的額定值選定后，應選擇相應的變頻器容量。
　�。伲诤停伲冢蚁盗须妱�(dòng)機的過(guò)載力矩一般為2.2-2.8倍，為了充分發(fā)揮電動(dòng)機的負載能力，提高起重設備的安全性能，采用變頻器進(jìn)行控制后，必須保證變頻器－電動(dòng)機系統具有2.2-2.8倍的過(guò)載能力。由于普通變頻器的過(guò)載能力一般為150%一分鐘，瞬態(tài)過(guò)載力矩只能達到180%－200%，因此必須提高所適配的變頻器容量，以便提高變頻器－電動(dòng)機系統的瞬時(shí)過(guò)載能力。
　　由上述可知，只要把變頻器的容量提高20%左右，即可使變頻器－電動(dòng)機系統的瞬時(shí)過(guò)載能力提高到2.0-2.4倍，基本滿(mǎn)足要求。因此，應選擇變頻器額定容量為電動(dòng)機額定容量的120%以上，即把變頻器的容量提高一個(gè)等級。如45KW的電動(dòng)機，應配置55KW的變頻器，且變頻器應具有較大的過(guò)載能力，過(guò)載率在150%一分鐘以上。
四、制動(dòng)組件的合理選用
　　如圖三所示，再生發(fā)電時(shí)機械能被轉換成電能，回饋到變頻器直流側的電容器上，其結果將使直流回路的電壓升高，當電壓升高到某一設定值（如750V），制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開(kāi)關(guān)管導通，電能向制動(dòng)電阻上泄放。制動(dòng)單元動(dòng)作后，泄放的能量大于回饋能量，直流回路的電墳開(kāi)始下降，當它下降到某一設一值（如630V），則制動(dòng)單元自動(dòng)控制放電用開(kāi)關(guān)管關(guān)閉，停止放電。這一充電與放電過(guò)程由變頻器和制動(dòng)組件自動(dòng)完成，維持直流回路電壓在一個(gè)安全的范圍之內。

　　由上述可知，選擇制動(dòng)組件的基本原則是：
1、制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能量大于等于最大瞬時(shí)回饋能量。
2、制動(dòng)組件的平均放電能量大于等于平均回饋能量。
　　通常，制動(dòng)組件的最大瞬時(shí)放電能力由其放電開(kāi)關(guān)管的額定電流所決定，而平均放電能力則取決于制動(dòng)電阻的額定功率大小。
　　以工礦常用的行吊為例，說(shuō)明制動(dòng)組件的選取。
　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖三　　變頻系統示意圖
　　圖四是一個(gè)典型的行吊作業(yè)速度圖。行吊在某個(gè)地點(diǎn)以速度Ｎ１提升重物，平移到另一個(gè)地點(diǎn)，然后以速度Ｎ１下放重物，再回到原地繼續作業(yè)，如此往復。設工作周期為Ｔ，在下放重物時(shí)電動(dòng)機再生發(fā)電，持續時(shí)間為Ｔｂ，重物在電動(dòng)機軸上形成的負載轉矩為Ｍｚ，機械效率為η，則：
　　　最大瞬時(shí)回饋能量pm=ηMzN1
　　制動(dòng)時(shí)間Ｔｂ內的平均回饋能量Ｐｂ＝ηMzN1
　　周期Ｔ?xún)鹊钠骄�回饋能量Ｐａ＝ηMzN1Tb/T
　　按下弄算法選取組件的額定參數：
　1、放電開(kāi)關(guān)管額定電流Ibe
　　Ibe

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