CD2000在起重提升行业的应用

1   前言

       随着工业生产对起重机调速性能要求的不断提高，常用传统的起重机调速方法如：绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，而且调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的特殊要求。

        交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是起重机交流调速技术发展的主流。

       交流变频调速技术应用于起重机后，与市场上大量使用的传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统相比，可带来以下显著效益。

（1）采用交流变频调速技术的起重机由于变频器驱动的电动机机械特性硬，具有精确定位的优点，不会出现传统起重机负载变化时电动机转速也随之变化的现象，可以提高装卸作业的生产率。

（2）变频起重机运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击明显减小，安全性提高，并且延长了起重机机械部分的寿命。

（3）机械制动器在电动机低速时动作，主钩以及大、小车的制动由电气制动完成，所以机械制动器的制动片寿命大为延长，维护保养费用下降。

（4）采用结构简单、可靠性高的鼠笼异步电动机取代绕线转子异步电动机，避免了因集电环、电刷磨损或腐蚀引起接触不良而造成电动机损坏或不能起动的故障。

（5）交流接触器大量减少，电动机主回路实现了无触点化控制，避免了因接触器触头频繁动作而烧损以及由于接触器触头烧损而引起的电动机损坏故障。

（6）交流变频调速系统可以根据现场情况，灵活调整各档速度和加、减速时间，使得变频起重机操作灵活、现场适应性好。

（7）交流变频调速系统属高效率调速系统，运行效率高，发热损耗小，因此比老式调速系统大量节电。

（8）变频器具有完善的保护、监测及自诊断功能，如再结合PLC控制，可大幅度提高变频起重机电控系统的可靠性。

2   门座式起重机的特点

       门座式起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物，并使重物在一定范围内移动的起重、搬运设备，在生产过程中起着重要作用。门座式起重机系统分为起升（抓斗门机由支持、闭合机构组成）、变幅、旋转、行走四部分。

        门座式起重机是随着港口事业的发展而发展起来的，在发展过程中，门座式起重机还逐步推广应用到作业条件与港口相近的船台和水电站工地等处。按用途可分为3类：①装卸用门座起重机:主要用于港口和露天堆料场，用抓斗或吊钩装卸。起重量一般不超过25吨，不随幅度变化。工作速度较高，故生产率常是重要指标。②造船用门座起重机：主要用于船台、浮船坞和舣装现场，进行船体拼接、设备舣装等吊装工作，用吊钩作为吊具。最大起重量达300吨,幅度大时起重量相应减小。有多档起升速度，吊重轻时可提高起升速度。有些工作机构还备有微动装置，以满足安装要求。门座高度大者，可适应大起升高度和大幅度作业的要求，但工作速度较低，作业生产率不高。③建筑安装用门座起重机：主要用在水电站进行大坝浇注、设备和预制件吊装等，一般用吊钩。起重量和工作速度一般介于前两类起重机之间。它具有整机装拆运输性好、吊具下放深度大、能较好地适应临时性工作和栈桥上工作等的特点。

2.1  使用环境

        门座式起重机大多用于港口码头、货场、重工企业等的露天环境，室外温度变化剧烈，有些场所存在多粉尘、有腐蚀气体等，使用环境恶劣。门座式起重机运行中振动、冲击较大，供电电源方面普遍存在变压器容量小，供电电缆截面小、线路长；在大型设备启动时，常造成瞬时欠电压。

2.2  机构组成及运行特征

        门座式起重机有起升、回转、变幅和运行机构，前3种机构装在转动部分上,每一周期内都参加作业。转动部分上还装有可俯仰的倾斜单臂架或组合臂架及司机室。运行机构装在门座下部，用以调整起重机的工作位置；带斗门座起重机还装有伸缩漏斗、带式输送机等附加设备，以提高门座起重机用抓斗装卸散状物料时的生产率。除电气保护装置外，还装有起重量或起重力矩限制器、起重机夹轨器等安全装置。

门座式起重机的各类机构都属于恒转矩负载；此外，不同的机构还具有各自的特点。

（1）起升机构由于重物在空间具有位能，是位能性负载。其特点是：重物上升时，电动机克服各种阻力(包括重物的重力、摩擦阻力等)而作功，属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力(位能)，因此当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力(位能)是下降的动力，电动机成了能量的接受者，属于动力负载；但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍需由电动机拖动下降，属于阻力负载。

（2）变幅、旋转、行走机构都是阻力负载。但室外起重机的这些机构有时在较大风力情况下成为动力负载。

（3）起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩。

（4）由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序。

（5）当起升机构向下运行或行走机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。

（6）起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。

3   电动机的选用

        笼型异步电动机由变频器供电时，因为市场上出售的变频器大多采用PWM调制方式，会由于高次谐波的影响和电机运行速度范围的扩大，出现一些工频电源供电时没有的新问题。

（1）谐波的影响

       采用PWM调制方式的通用变频器给笼型异步电动机供电时，电动机定子电流中含有丰富的高次谐波，高次谐波造成电动机的铁损和铜损增加，致使电动机的温度上升。统计资料表明，电动机在额定状态下，变频器供电的电动机比工频供电时，电流增加10%，而温升增加20%左右。选择电动机容量时，应留有裕量，防止电动机温升过高，影响其寿命。

        另外，当电动机的尺寸大于280时，为了避免出现因高次谐波引起的轴电流，应在电动机的非传动端安装绝缘轴承，为进一步减小轴承电流，应使用屏蔽电机电缆，并且电动机外壳应很好接地。

（2）散热能力的影响

        标准笼型电动机的散热能力，是按额定转速下安装在电动机轴上的冷却风扇的冷却风量考核的。当电动机调速运行时，额定转速以下会随着转速的降低其散热能力变差。门座式起重机的起升、行走机构均为恒转矩负载，为了保证低速运行时电动机温升在容许值内，须采用变频专用电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通笼型异步电动机加装独立风扇组成，并且提高了电机绕组的绝缘能力，扩大了电动机的调速范围，可在3—100Hz范围内连续运行。3—50Hz范围内为恒转矩运行，50—100Hz范围内为恒功率运行。

（3）电动机绝缘的影响

        现在市场上出售的通用变频器大多采用PWM调制方式的IGBT逆变器技术，其输出电压由高压脉冲组成，峰值约为电网电压的1.35倍。根据电机电缆特性及供电距离的不同，脉冲电压的峰值在电动机接线端子处可能加倍，这就对电动机的绝缘提出了更高的要求，详细情况应参阅变频器生产厂家提供的使用手册或向电动机生产厂商咨询。

4  变频器的选用

4.1  康博CD2000起重机专用变频器简介

4.1.1  主要功能简介

         CD2000是一款高性能矢量变频器，可用于各类起重机的起升、俯仰、变幅、大车、小车、回转、抓斗等机构的交流无级调速。主要的功能及特点如下：

（1）抱闸逻辑控制与监控、预励磁及起动预转矩补偿

准确的抱闸开启和闭合控制时序，通过抱闸实时状态反馈和起动预转矩补偿，确保控制的安全性和可靠性。

        预励磁功能是在启动之前自动地对电机实行直流励磁，以保证电动机快速地提供起动转矩，并通过调节励磁的时间使电动机的起动与机械制动器的释放时间相配合，避免出现“溜钩”现象。

（2）轻负载升速（电子副钩）和松绳检测

       起重机空钩或轻载时实现2倍速运行，提高装卸效率。轻负载升速功能主要应用于起升高度较大的起重机：在起升机构空载运行时自动使速度上升，以缩短时间来提高装卸效率；重载时自动降低速度以确保设备和人身的安全。变频器根据启动后一段时间内的平均电流值来判断负荷的大小：当负载重时，变频器自动降低输出频率；当负载轻时，变频器自动提高输出频率。松绳检测功能防止在起重机绳索松弛的情况下，轻负载升速功能误动作引发的不安全运行。

（3）控制回路电源和主回路电源可以分别控制,提高了用户调试时的安全性，便于故障诊断与维护。

（4）主从控制功率平衡与速度同步技术

        在两个大功率电机通过减速箱刚性连接驱动一个起升机构时，主从控制功率平衡功能保证两个电机出力均匀；在双起升机构提升一个重物时，主从控制速度同步功能保证两个起升机构同步提升，确保安全。

（5）第二电机控制及切换功能

        一台变频器通过参数自学习可以自动存储两套电机参数，通过切换指令实现对两组电机的高性能矢量控制；便于电气传动系统的控制，降低用户成本。

（6）同时支持PROFIBUS-DP和MODBUS、INTERNET多种通讯协议，能实现多个变频器和PLC之间的通讯连接。             

（7）危险速度监视、快速停车及超速保护

       变频器实时监测电机的运行速度，当电机速度大于设定的最高允许速度或速度偏差值时，变频器发出故障报警并立即停止输出，机械制动器动作，使起重机处于安全状态。

快速停车功能给用户提供以下三种方式供选择：

方式1：电气制动的停车；方式2：电气制动加机械制动的停车；方式3：机械制动的停车。

（8）起重机操作模式

       根据起重机不同的操作模式，为用户提供以下操作模式选择：操纵杆模式、遥控模式、电动电位器模式、分级操纵杆给定模式、分级遥控给定模式、通讯给定模式等。

4.1.2 应用范围

       CD2000变频器，具有优异的力矩控制性能，广泛适用于岸边集装箱起重机（STS）、轨道式集装箱龙门起重机(RMG)、轮胎式集装箱龙门起重机（RTG）、门座式起重机、造船用龙门起重机、装船机、卸船机、翻车机、堆取料机等各类港口机械，以及各类普通桥式、门座式、塔式起重机和提梁机、架桥机等起重机械的起升、变幅、大车、小车、回转、抓斗等机构的交流无级调速。

4.2  变频器容量计算

下面就门座式起重机的起升、行走（回转）机构的变频器选用原则做以详细说明。

（1）起升机构

 门座式起重机起升机构所需的电动机轴输出功率：

Wν

PM = ————

      6120η

式中W——起升机构额定提升负荷的重量，kg

ν——起升机构的额定速度，m/min

η——起升机构的机械效率

变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即：

k PM

P0[KVA] ≥ ————

            ηcosφ

式中k——过载系数1.33

PM——负载要求的电动机轴输出功率，kW

η——电动机效率

cosφ——电动机的功率因数

起升机构要求的起动转矩为1.3—1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6—2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60秒、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。

在变频器容量选定后，还应做电流验证，即：

ICN≥kIM

式中k——电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05—1.1）

ICN——变频器额定输出电流，A

IM——工频电源时的电动机额定电流，A

       一般的大吨位起重机有两个独立驱动的起升机构，每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，每台电动机采用带脉冲编码器的速度闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用CHV190变频器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主从控制方案，这些控制方案可以实现2台电动机精确的转矩平衡分配和2个起升机构的速度同步。

（2）行走、回转机构

        门座式起重机的行走、回转机构大多采用多台电动机传动方案。由于门座式起重机行走机构的转动惯量较大，为了加速电动机需有较大的起动转矩，因此门座式起重机行走机构所需的电动机轴输出功率PM应由负载功率Pj和加速功率Pa组成，即：

PM≥Pj+Pa

行走机构所需的负载功率为：

µ Wν

Pj = ————

      6120η

式中 µ——行走机构的摩擦系数

W——行走机构额定负荷的重量，kg

ν——行走机构的额定速度，m/min

η——行走机构的机械效率

行走机构所需的加速功率为：

ｋｎＭ            GD²ｎＭ

Pa =  ————— × ————

      974ηcosφ      375 tA

式中ｋ——电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05—1.1）

ｎＭ  ——行走机构的电动机额定转速，r/min

cosφ——电动机的功率因数

η——电动机效率

GD²——行走机构换算到电动机轴上的总转动惯量，kg·m²

tA——电动机加速时间（根据负载要求确定），s

由于行走机构大多采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，因此在变频器容量选择时，还应满足以下公式：

ICN≥knIM

式中k——电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05—1.1）

ICN——变频器额定输出电流，A

IM——工频电源时单台电动机的额定电流，A

n——一台变频器拖动的电动机数量

5   再生能量的处理

       当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或行走机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。

        在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。① 在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；② 采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。

下面对这两种制动方式做以详细介绍。

（1）动力制动

        动力制动由制动单元和制动电阻构成。变频器设置了制动单元和制动电阻后，其动力制动能力取决于制动电阻的允许功率。因此，计算再生功率PM时，必须满足PM

① 计算再生能量EM

② 计算再生功率PM

PM = EM/t0

式中 PM——制动期间电机产生的有效再生功率，W

EM——机构急减速及下降时的再生能量，J

t0——制动周期时间，S

③ 选择合适的制动单元/制动电阻组合

选择合适的制动单元/制动电阻组合，必须满足下列条件：

PM

式中 PM——制动期间电机产生的有效再生功率，W

PR——制动电阻的允许功率，W

PDB——制动单元的允许功率，W

当计算的PM>PR时，表明超出了制动电阻的处理能力，需重新核算负载惯量和减速时间。

④ 制动电阻RB0的计算

在再生回馈制动中，即使不设置制动电阻，依靠电机内部损耗也可获得约20%的制动转矩，因此可用下式计算所需的电阻值RB0：

VC²

RB0 = ——————————

     1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——变频器中间直流回路的电压（约为700V），V

TB——制动转矩，kg·m

TM——电动机额定转矩，kg·m

n1——电动机开始减速时的速度，rpm

动力制动的放电回路由制动单元和制动电阻构成，其最大电流受制动晶体管最大允许电流IC的限制，制动电阻最小允许值RMIN=VC/IC。因此制动电阻选用时其实际值RB应满足以下条件：

RMIN < RB < RB0

上述选型是建立在精确的计算基础上，在实际工程中如果精确的计算数据不能取得，也可按下述给出的经验公式选型。

①起升机构的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb为实际的负载再生发电功率，ηmec为机械效率，ηmot为电机效率。

②制动电阻RB0的近似计算

VC²

RB0 = ——

        PM

由于行走机构属于摩擦负载，其制动单元和制动电阻可按变频器的标准配置。

（2）回馈制动

        为了实现把制动状态的电动机再生发电能量向电网回馈，网侧变流器应采用可逆变流器。英威腾推出的能量回馈制动单元，它的网侧变流器与逆变器结构相同，采用一块具有PWM控制方式的电网电压识别板。由于采用了PWM控制技术，对网侧交流电压的大小和相位可以进行控制，可以使交流输入电流与电网电压同相位并接近正弦波，传动系统的功率因数大于0.9，回馈制动时有100%电网回馈能力，而不需要自耦变压器。

        动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下，才可以采用回馈制动方式。对于采用滑触线供电的起重机，应特别注意防止滑触线电刷接触的间断，如果不能保证这一点，建议采用动力制动方式，以保证起升机构持续下降时调速制动的可靠性。

6  布线设计

6.1  变频器主回路

       门座式起重机起升机构的变频器采用矢量控制方式，它们要用所传动电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然在长距离供电时，把线路阻抗加入到了参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到设计要求。另外，变频器与电动机之间的敷设距离长，则线路压降大，有时产生电机转矩不足。特别是变频器输出频率较低时，其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为容许值，电机电缆的截面可据此来选择。

       由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，采用PWM控制方式的变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够。所以在门座式起重机的布线设计中，应力求减小变频器到电动机的电缆的长度总和。

6.2  控制回路

       变频器的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，还应采用1.0mm2绝缘屏蔽导线。绝缘屏蔽导线的接地应在变频器侧进行单点接地，使用专用的接地端子，不与其它的接地端子共用。电磁感应干扰的大小与电线的长度成比例，所以要尽可能地以最短的线路敷设。在电磁干扰严重的场合，除了采取接地、屏蔽等措施外，还可以在变频器的控制信号线上安装数据滤波器，以进一步减小干扰电压的影响。