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作者簡介：段蘇振（1974-），男，陜西鳳翔人，深圳市英威騰電氣股份有限公司高級電氣工程師，研究方向為機電一體化技術、PLC和交流變頻調速技術在起重機械中的應用。
摘 要：本文分析了起重機的運行特點，詳細闡述了英威騰CHV190起重機專用變頻器用于起重機調速時的選型原則和周邊設備的容量計算方法，并介紹了CHV190變頻器在門式起重機中的應用案例。
關鍵詞：英威騰CHV190起重機專用變頻器；門式起重機；電氣制動
Abstract：This paper analyses the operation characteristic of crane，and discusses the selection principle and the calculation formulas of capacity for periphery equipments when INVT CHV190 series frequency inverter is used in crane speed conversion.We then introduce the application examples of CHV190 series frquency inverter in the frame crane.
Key words：INVT CHV190 Inverter Applied to Crane；Frame crane；Electric brake
1 前言
隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統的起重機調速方法如：繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，它們要求定期維護，由集電環和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高，而且調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足工業生產的特殊要求。
交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機，并且高效、節能，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的提高。所以，采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發展的主流。
交流變頻調速技術應用于起重機后，與市場上大量使用的傳統的繞線異步電動機轉子串電阻調速系統相比，可帶來以下顯著經濟效益和安全可靠性：
（1）采用交流變頻調速技術的起重機由于變頻器驅動的電動機機械特性硬，具有精確定位的優點，不會出現傳統起重機負載變化時電動機轉速也隨之變化的現象，可以提高裝卸作業的生產率。
（2）變頻起重機運行平穩，起、制動平緩，運行中加、減速時整機振動和沖擊明顯減小，安全性提高，并且延長了起重機機械部分的壽命。
（3）機械制動器在電動機低速時動作，主鉤以及大、小車的制動由電氣制動完成，所以機械制動器的制動片壽命大為延長，維護保養費用下降。
（4）采用結構簡單、可靠性高的鼠籠異步電動機取代繞線轉子異步電動機，避免了因集電環、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動機損壞或不能起動的故障。
（5）交流接觸器大量減少，電動機主回路實現了無觸點化控制，避免了因接觸器觸頭頻繁動作而燒損以及由于接觸器觸頭燒損而引起的電動機損壞故障。
（6）交流變頻調速系統可以根據現場情況，靈活調整各檔速度和加、減速時間，使得變頻起重機操作靈活、現場適應性好。
（7）交流變頻調速系統屬高效率調速系統，運行效率高，發熱損耗小，因此比老式調速系統大量節電。
（8）變頻器具有完善的保護、監測及自診斷功能，如再結合PLC控制，可大幅度提高變頻起重機電控系統的可靠性。
2 起重機運行的特點
（1）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。
（2）由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序。
（3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發電狀態，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現場情況研討如何處理這部分再生能量。
（4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。
3 英威騰CHV190起重機專用變頻器簡介
3.1 主要功能及特點
CHV190起重機專用變頻器是英威騰公司針對起重行業專業設計的一款高性能矢量變頻器，用于各類起重機的起升、俯仰、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。主要的功能及特點如下：
（1）抱閘邏輯控制與監控
準確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實時狀態反饋和起動預轉矩補償，確保控制的安全性和可靠性。
（2）輕負載升速（電子副鉤）
起重機空鉤或輕載時實現2倍速運行，提高裝卸效率。輕負載升速功能主要應用于起升高度較大的起重機：在起升機構空載運行時自動使速度上升，以縮短時間來提高裝卸效率；重載時自動降低速度以確保設備和人身的安全。變頻器根據啟動后一段時間內的平均電流值來判斷負荷的大小：當負載重時，變頻器自動降低輸出頻率；當負載輕時，變頻器自動提高輸出頻率。
（3）控制回路電源和主回路電源可以分別控制
提高了用戶調試時的安全性，便于故障診斷與維護。
（4）主從控制功率平衡與速度同步技術
在兩個大功率電機通過減速箱剛性連接驅動一個起升機構時，主從控制功率平衡功能保證兩個電機出力均勻；在雙起升機構提升一個重物時，主從控制速度同步功能保證兩個起升機構同步提升，確保安全。
（5）第二電機控制及切換功能
一臺變頻器通過參數自學習可以自動存儲兩套電機參數，通過切換指令實現對兩組電機的高性能矢量控制；便于電氣傳動系統的控制，降低用戶成本。
（6）同時支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議
支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議，能實現多個變頻器和PLC之間的通訊連接。
（7）危險速度監視、快速停車及超速保護
變頻器實時監測電機的運行速度，當電機速度大于設定的最高允許速度或速度偏差值時，變頻器發出故障報警并立即停止輸出，機械制動器動作，使起重機處于安全狀態。
快速停車功能給用戶提供以下三種方式供選擇：
方式1：電氣制動的停車；方式2：電氣制動加機械制動的停車；方式3：機械制動的停車。
（8）預勵磁及起動預轉矩補償
預勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，并通過調節勵磁的時間使電動機的起動與機械制動器的釋放時間相配合，避免出現“溜鉤”現象。
（9）松繩檢測
防止在起重機繩索松弛的情況下，輕負載升速功能誤動作引發的不安全運行。
（10）起重機操作模式——方便、靈活
根據起重機不同的操作模式，為用戶提供以下操作模式選擇：操縱桿模式、遙控模式、電動電位器模式、分級操縱桿給定模式、分級遙控給定模式、通訊給定模式等。
3.2 應用范圍
CHV190起重機專用矢量變頻器，具有優異的力矩控制性能，廣泛適用于岸邊集裝箱起重機（STS）、軌道式集裝箱龍門起重機（RMG）、輪胎式集裝箱龍門起重機（RTG）、門座式起重機、造船用龍門起重機、裝船機、卸船機、翻車機、堆取料機等各類港口機械，以及各類普通橋式、門式、塔式起重機和提梁機、架橋機等起重機械的起升、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。
4 變頻器的選用
下面就起重機的起升、平移機構的變頻器選用原則做一詳細說明。
4.1 起升機構
變頻器的容量必須大于負載所需求的輸出，即：
k PM
P0[KVA] ≥ ————
ηcosφ
式中，k——過載系數1.33；PM——負載要求的電動機軸輸出功率，kW；η——電動機效率；cosφ——電動機的功率因數。
起升機構要求的起動轉矩為1.3～1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6～2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數k=2/1.5=1.33。
在變頻器容量選定后，還應做電流驗證，即：
ICN≥kIM
式中，k——電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05～1.1）；ICN——變頻器額定輸出電流，A；IM——工頻電源時的電動機額定電流，A。
一般的大噸位起重機有兩個獨立驅動的起升機構，每個起升機構由2臺電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時的動態特性和高轉矩輸出能力，每臺電動機采用帶脈沖編碼器的速度閉環控制。每個起升機構的2臺變頻器之間采用CHV190變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實現2臺電動機精確的轉矩平衡分配和2個起升機構的速度同步。
4.2 平移機構
起重機的平移機構分大車機構和小車機構，兩種機構一般采用多臺電動機傳動方案。由于起重機平移機構的轉動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率PM應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即：
PM≥Pj+Pa
由于平移機構采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用U/f開環頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：
ICN≥knIM
式中，k——電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05～1.1）；ICN——變頻器額定輸出電流，A；IM——工頻電源時單臺電動機的額定電流，A；n——一臺變頻器拖動的電動機數量。
由于在變頻器“一拖多”通用U/f開環頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現對單臺電動機的過載保護，為此在每臺電動機回路中串入帶有熱過載保護功能的低壓斷路器，以實現對單臺電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。
5 再生能量的處理
當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發電狀態。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對連續再生能量的處理有以下兩種方案。①在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；②采用再生整流器方式，將連續再生能量送回電網，這種方式稱為回饋制動。英威騰推出的DBU型能耗制動單元和RBU型能量回饋單元的具體參數可參見說明書。
下面對這兩種制動方式做一詳細介紹。
（1）動力制動
動力制動由制動單元和制動電阻構成。變頻器設置了制動單元和制動電阻后，其動力制動能力取決于制動電阻的允許功率。因此，計算再生功率PM時，必須滿足PM<PR（PR為制動電阻的允許功率）。如果再生功率超過制動電阻的允許功率時，要重新考慮減速時間及負載慣量等。下面詳細敘述設置制動電阻后，如何計算制動電阻的再生功率PM和電阻值RB。
①計算再生能量EM
②計算再生功率PM
PM=EM/to
式中，PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W；EM——機構急減速及下降時的再生能量，J；to——制動周期時間，s。
③選擇合適的制動單元/制動電阻組合
選擇合適的制動單元/制動電阻組合，必須滿足下列條件：
PM<PR＆PM<PDB
式中，PM——制動期間電機產生的有效再生功率，W；PR——制動電阻的允許功率，W；PDB——制動單元的允許功率，W。
當計算的PM>PR時，表明超出了制動電阻的處理能力，需重新核算負載慣量和減速時間。
④制動電阻RB0的計算
在再生回饋制動中，即使不設置制動電阻，依靠電機內部損耗也可獲得約20%的制動轉矩，因此可用下式計算所需的電阻值RB0：
VC
RB0 = ——————————
1.027（TB-0.2TM）n1
式中，VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為700V），V；TB——制動轉矩，kg·m；TM——電動機額定轉矩，kg·m；n1——電動機開始減速時的速度，rpm。
動力制動的放電回路由制動單元和制動電阻構成，其最大電流受制動晶體管最大允許電流IC的限制，制動電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此制動電阻選用時其實際值RB應滿足以下條件：
RMIN<RB<RB0
上述選型是建立在精確的計算基礎上，在實際工程中如果精確的計算數據不能取得，也可按下述給出的經驗公式選型。
①起升機構的再生功率PM
PM=Pb×ηtotal
ηtotal=ηmec×ηmot×0.98
上式中，Pb為實際的負載再生發電功率，ηmec為機械效率，ηmot為電機效率。
②制動電阻RB0的近似計算
VC
RB0 = ——
PM
由于平移機構屬于摩擦負載，其制動單元和制動電阻可按變頻器的標準配置。
（2）回饋制動
為了實現把制動狀態的電動機再生發電能量向電網回饋，網側變流器應采用可逆變流器。英威騰推出的能量回饋制動單元，它的網側變流器與逆變器結構相同，采用一塊具有PWM控制方式的電網電壓識別板。由于采用了PWM控制技術，對網側交流電壓的大小和相位可以進行控制，可以使交流輸入電流與電網電壓同相位并接近正弦波，傳動系統的功率因數大于0.9，回饋制動時有100%電網回饋能力，而不需要自耦變壓器。
動力制動方式控制簡單、成本低，但節能效果不如回饋制動。回饋制動方式雖然節能效果好，能連續長時制動，但控制復雜、成本較高。應該注意的是，只有在不易發生故障的穩定電網電壓下，才可以采用回饋制動方式。對于采用滑觸線供電的起重機，應特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點，建議采用動力制動方式，以保證起升機構持續下降時調速制動的可靠性。
6 CHV190起重機專用變頻器在門式起重機中的應用介紹
門式起重機是起重行業當中的一種典型設備，廣泛應用于室外倉庫、碼頭、集裝箱堆場和露天貯料場等處，其主要機械機構有提升、大車、小車，三種機構均可采用變頻技術實現無級調速。其中提升機構對變頻器的要求最高，上、下行不能產生“溜鉤”現象，性能上零速時需要輸出至少150%以上的額定轉矩；功能上需有可靠的抱閘時序控制，選用英威騰CHV190起重專用變頻器，實現對門吊的精確控制。
（1）提升機構
提升機構由1臺（YTSP355L-8）200kW變頻電機驅動，電機調速為帶編碼器的閉環矢量控制，采用INVT公司起重專用機器CHV190-250G-4；屬有檔位無級調速方式，內設S曲線加減速模式，保證重物提升過程中的穩定性。
（2）大、小車運行機構
大車運行機構有6臺（YTSP160M-6）7.5kW變頻電機驅動，6臺電機由一臺變頻器閉環矢量控制；小車運行機構由2臺（YTSP180-4）22kW變頻電機驅動，2臺電機由一臺變頻器閉環矢量控制；大小車運行機構屬于位移性負載，方案中大、小車兩組電機共用一臺變頻器通過切換分別控制，其中一組電機需要控制運行時，變頻器接收到轉換信號后自動切換到相應電機組參數。
6.1 系統優點
（1）可靠的抱閘邏輯控制且抱閘時間可調，在保證不溜鉤的同時，也避免了電機的大沖擊電流。
（2）高性能的閉環矢量控制，在零速時可輸出180%的額定轉矩長達10s，增加了系統的可靠性。
（3）提升機構采用輕負載升速（電子副鉤）功能，重載時0～50Hz之間運行，空鉤可實現100Hz高速運行，以提高工作效率。
（4）多段速或模擬量調速，加、減速過程均按照S曲線模式，增加了工作的穩定性，減小了機械沖擊，延長設備使用壽命。
（5）多電機并聯后，變頻器自學習參數辨識，建立有效的控制數學模型，實現停車準確到位。
（6）單臺變頻器切換控制2組電機，自學習后并存儲兩組電機參數，均可實現閉環矢量控制，降低了系統成本，提高了市場的競爭力。
（7）可調轉矩補償，實現精確控制。
圖1 系統結構示意圖
6.2 系統框圖（如圖1所示）
6.3 變頻器的現場調試
6.3.1 提升變頻器的調試過程
（1）電機參數辨識
辨識電機參數在電機軸與負載脫開的情況下進行，首先設定電機參數P2.00～P2.05和編碼器參數P4.00～P4.01，然后設定P0.07為1進行電機參數自學習，見表1。.
自學習完成后，設定速度由低到高空載閉環矢量運行，觀察空載電流及電機運轉，確保正常。
表1
|
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
|
P0.01 |
0 |
0：鍵盤指令通道 |
P2.03 |
743 |
電機額定轉速 |
|
P0.02 |
0 |
0：鍵盤設定 |
P2.04 |
380 |
電機額定電壓 |
|
P2.01 |
200 |
電機額定功率 |
P2.05 |
385 |
電機額定電流 |
|
P2.02 |
50 |
電機額定頻率 |
P4.01 |
1024 |
編碼器脈沖數 |
表2
|
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
|
P0.01 |
0 |
0：鍵盤指令通道 |
P2.03 |
1473 |
電機額定轉速 |
|
P0.02 |
0 |
0：鍵盤設定 |
P2.04 |
380 |
電機額定電壓 |
|
P2.01 |
44 |
電機額定功率 |
P2.05 |
84 |
電機額定電流 |
|
P2.02 |
50 |
電機額定頻率 |
P4.01 |
1024 |
編碼器脈沖數 |
表3
|
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
功能碼 |
設定值 |
參數詳細說明 |
|
PA.03 |
45 |
電機基速功率1 |
PA.06 |
380 |
電機基速電壓1 |
|
PA.04 |
50 |
電機基速頻率1 |
PA.07 |
108 |
電機基速電流1 |
|
PA.05 |
974 |
電機基速轉速1 |
PA.22 |
1024 |
編碼器脈沖數 |
（2）其它參數的設定
P0組（基本功能組）、P1組（速度曲線組）、P5組（輸入端子組）、P6組（輸出端子組）等參數可根據實際需要設定；
P0組（基本功能組）、P1組（速度曲線組）、P5組（輸入端子組）、P6組（輸出端子組）等參數可根據實際需要設定；
（3）抱閘時序控制測試
通過修改P8組，增強功能組中的抱閘合閘、松閘延時參數，調試抱閘時序控制情況。
（4）帶負載閉環矢量運行及驗證輕負載升速（電子副鉤）功能
觀察抱閘時序控制正常后再安裝好主軸聯動機構，設定速度由低速到高速的步驟運行。帶負載調試時，堅持由低負載到高負載的步驟調試，同時注意觀察變頻器運行電流及電機運轉狀態。通過修改P8組增強功能組中的輕負載升速使能參數，驗證吊重物時0～50Hz之間運行，空鉤時0～100Hz之間運行。
6.3.2 大、小車調試過程
大、小車共用1臺變頻器控制，其中大車由6臺7.5kW電機組成，在其中1臺電機上安裝好編碼器；小車由2臺22kW電機組成，也在其中1臺電機安裝好編碼器。
6.3.3 參數切換控制的說明
（1）P5.05設定為“電機切換（MEX）”，說明當S4端子為off時，選擇第1組電機；S4端子為on時，選擇第2組電機；
（2）P6.01設定為“電機切換輸出”，說明選擇Y1輸出，當變頻器接收“電機切換（MEX）”輸入信號后，在100ms內完成電機切換，并輸出“電機切換輸出”信號到該輸出端子；
6.3.4 參數自學習
在脫離電機軸與負載的情況下，分別學習好兩組電機的參數。現在通過手動控制，使變頻器分別拖動大、小車兩組電機，大車電機將6個電機作為一個整體控制對象來看，這時設定的電機參數中電流與功率為6個電機之和。同理小車亦采用同樣方法處理，詳見表2、表3。
（1）小車設定的參數
（2）大車設定的參數
（3）其它參數的設定
P0組（基本功能組）、P1組（速度曲線組）、P5組（輸入端子組）、P6組（輸出端子組）等參數可根據實際需要設定。
6.4 大、小車運行
抱閘時序控制調試以及帶負載調試可以參照提升主機的方法進行。由操作臺控制大小車切換動作，變頻器自動切換兩組參數拖動兩組電機分別閉環運行。
7 結束語
隨著電力電子技術的不斷發展完善，交流變頻調速技術日益顯現出優異的控制及調速性能，高效率、易維護等特點，加之它的價格不斷下降，使其成為起重機械一種優選的調速方案。但是，要使變頻器成功地應用于起重機調速，就必須針對起重機的特點，計算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時采取特殊技術措施，以保證變頻調速的起重機安全、可靠地運行。
起重機行業對變頻器的性能、功能有著非常高的要求，英威騰公司通過深入的市場調研，開發出CHV190起重機專用變頻器系列產品，通過不同用戶現場實際運行，取得了良好的效果，并為自主品牌的變頻器在高端行業應用開創了先例。
參 考 文 獻
［1］INVT.CHV190變頻調速器操作說明書［Z］.2008.
［2］韓安榮.通用變頻器及其應用［M］.機械工業出版社.2000.
［3］段蘇振.交流變頻調速技術在門式起重機中的應用［J］.電氣傳動，2005，1.
［4］段蘇振.交流變頻調速的電氣制動方式［J］.機床電器，2004，3.
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號