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第五讲 因材施变用变频
一．行车变频技艺高
(一）先把特性弄清楚
图５－１ 桥式起重机结构
１──驾驶室，２──主钩,３──主梁，４──端梁，５──小车
１．行车的构造
（１）桥架 有下列部件构成：
主梁 用于铺设供小车运行的钢轨;
端梁 在主梁的两侧，用于和主梁联接并承受全部载荷；
走台 在主梁外侧,为安装和检修大、小车运行机构而设.
（２）大车运行机构
用于拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动(以驾驶者的坐向为准）。由电动机、制动器、减速装置和车轮等组成。
（３）小车运行机构
用于拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动。也由电动机、制动器、减速装置和车轮等组成。
（４）起升机构
用于拖动重物作上升或下降的起升运动。由电动机、减速装置、卷筒和制动器等组成。大型起重机(超过１０ｔ）有两个起升机构：主起升机构（主钩）和副起升机构（副钩).通常，主钩与副钩不能同时起吊重物。
（５）原拖动系统
大多数都采用绕线转子异步电动机，通过调节转子回路的电阻进行调速。
图５－２ 行车的负载转矩
２．机械特性
图５－３ 行车的机械特性
由图知：
ＴL＝Ｆ•ｒ
≈ｃｏｎｓｔ
属于恒转矩负载，其机械特性如图所示.
３．调速范围的审核
图５－４ 变频调速的有效转矩线
行车的调速范围较广，可达
αn≥１０
且空钩或轻载时,速度较快,重载时则较慢。
因此,低速时能否带动负载，是问题的关键,必须进行审核。
而普通电动机在无专门措施的情况下，其变频调速后的有效转矩线大致如图５－３中的黑线所示。
其允许的调速范围与电动机的负荷率σA有关:
σA＝
由图知,不同负荷率时的频率调节范围如下表:
σA(％）
１００
９０
８０
７０
６０
ƒmax（Ｈｚ)
５０
５６
６２
７０
７８
ƒmin（Ｈｚ）
２０
１５
１１
６
６
αn
２。５
３.７
５.６
１１。６
１３。０
例如,当负荷率σA＝９６%时,在１８Ｈｚ以下的运行点都在有效转矩以外，不能长时间运行。
如σA≤７０％，由可用。
（一）先把特性弄清楚
(二）节能效果甚突出
图５－５ 转子的功率分配
１．电机功耗转差定
２．转差最小是变频
(１）转子串电阻时的功率分配
图５－６ 转子串电阻调速的功率分配
（ａ）转子串电阻 （ｂ)机械特性及功率分配
（２）变频调速的功率分配
图５－７ 变频调速的功率分配
（一)先把特性弄清楚 (二）节能效果甚突出
（三）吊钩变频见工夫
１．运行特点
四象限运行：
图５－８ 第二象限的机械特性
（１)吊钩的上升及其降速过程
图５－９ 第三、四象限的机械特性
（２）空钩下降及降速
（３）重载下降
图５－１０ 重载下降时的机械特性
２．溜钩问题及其解决
图５－１１ 电磁制动电动机
(１）电磁制动电动机
（２）磁抱闸由松开到抱紧
图５－１２ 重物停住的控制（磁抱闸由松开到抱紧）
图５－１３ 重物运行的控制（磁抱闸由抱紧到松开）
（２）磁抱闸由抱紧到松开
３．重载下降时的能耗电路
图５－１４ 重载下降时的状态
(１）制动电阻的选择
∵ 在重物下降过程中，电动机一直处于发电状态。
∴ 制动电阻的容量应选：
ＰB＝
γB＝１~１.２
图５－１５ 选用反馈单元
(２）选用反馈单元
则节能效果进一步提高。
４．拖动系统的选择
图５－１６ 绕线转子短接
（１）电动机的选择
最好选用变频专用电动机；
如果原电动机是较新绕线转子异步电动机，则应将转子绕组短接,并把电刷举起，如图所示。
(２)变频器容量的选择
变频器的额定电流ＩN可由下式求出：
ＩN＞ＩMN×
式中,ＩMN──电动机的额定电流,Ａ；
ｋ1──所需最大转矩÷电动机额定转矩；
ｋ2──１。５(变频器的过载能力);
ｋ3──１。１（余量）。
此外，主钩和副钩电动机必须分别配用变频器，不能共用。
图５－１７ 暂停升速功能
５．变频调速要点
(１）控制模式 最好采用带转速反馈的矢量控制方式。
（２）起动方式 为了满足吊钩从“床面”上升时，须先消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求,应预置低速时暂停升速功能，如图所示。
（３）点动控制 点动控制是用来调整被吊物体的空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。
６．调速框图示例
图５－１８ 利用升、降速功能的控制
（１)利用升、降速功能
图５－１９ 利用多档速功能的控制
(２）利用多档速功能
（一）先把特性弄清楚 (二）节能效果甚突出
(三）吊钩变频见工夫
（四）大车变频下垂助
１．拖动方式
由两台电动机分别拖动两个主动轮同时转动,大多由一台变频器供电。
变频器的热保护功能将不起作用.因此，每台电动机的热继电器是必须的。
２．变频器的功能预置
（１）为了使两台电动机的负担均衡,应预置下垂功能。
图５－２０ 大车的控制特点
（２）重合闸功能 由于采用滑线供电方式,在运行过程中,有可能出现因短暂的接触不良造成的瞬间停电。因此，应预置变频器在瞬时停电以及故障跳闸后的重合闸功能。
（３）升速与降速方式 因为大车实际上是带着重物而运行的，因此,为了避免被吊物发生晃动，应采用Ｓ形升、降速方式。
图５－２１ 大车变频调速的主电路
３．主电路
（一）先把特性弄清楚 （二）节能效果甚突出
（三）吊钩变频见工夫 （四)大车变频下垂助
（五）小车变频较简朴
１．主要特点
由于行程较短，故调速范围较小，一般在４∶１以内.其基本工况、供电方式与终端保护等都和大车相同。
２．变频器的选择
只用一台变频器，可采用Ｖ∕Ｆ控制方式或无反馈矢量控制方式.
３．主电路
图５－２２ 小车变频调速的主电路
一．行车变频技艺高
二．恒功率变频容量超
（一）特性不符大拉小
１．某塑料薄膜卷绕机的基本数据
（１）薄膜行进的最高线速度：
ｖmax＝１２０ｍ∕ｍｉｎ
（２）薄膜的最大张力：
Ｆmax＝２００Ｎ
（３)卷径范围：
Ｄ＝０。１～１ｍ
（４）电动机额定转速
ｎMN＝９６０ｒ∕ｍｉｎ
（５)传动比
λ＝２.５
２．计算数据
（１）负载转矩
ＴL＝Ｆmax·ｒ
＝（１０～１００）Ｎｍ
负载转矩的折算值
ＴL’＝
＝(４~４０)Ｎｍ
（２）负载转速
ｎL＝
＝(３８２~３８。２）ｒ∕ｍｉｎ
负载转速的折算值
ｎL'＝ｎL·λ
＝（９５５～９５。５)ｒ∕ｍｉｎ
（３）负载功率
ＰL＝
＝
＝０.４ｋＷ
(４）电动机功率
ＰM≥
＝＝４ｋＷ
选 ＰMN＝４.５ｋＷ
如图
图５－２３ 额频以下带卷绕机
（一)特性不符大拉小
（二）高频容量可减少
１．最高频率与传动比
预置
ƒmax＝１００Ｈｚ
传动比
λ’＝５
２．计算数据
（１）负载转矩的折算值
ＴL'＝（２～２０）Ｎｍ
（２）负载转速的折算值
ｎL’＝（１９１０～１９１）ｒ∕ｍｉｎ
（３）电动机功率
ＰM＝＝２ｋＷ
选 ＰMN＝２.２ｋＷ
图５－２４ 二倍频以下带卷绕机
如图
（一)特性不符大拉小 （二）高频容量可减少
（三)车床变频有技巧
１．车床的外形与机械特性
(１）外形
图５－２５ 普通车床外形
（２）机械特性
图５－２６ 车床的机械特性
２．实例
某厂的意大利产SAG型精密车床，由于调速用电磁离合器损坏率较高，国内无配件，进口件又十分昂贵，故改用变频调速.具体情况如下：
(１）转速档次 负载侧有八档转速：75、120、200、300、500、800、1200、2000r/min。
（２)电动机的主要额定数据
ＰMN＝２。２ｋＷ；ＩMN＝５Ａ，
ｎMN＝１４４０ｒ∕ｍｉｎ(ｓ＝０。０４）。
(３）控制方式 由手柄的八个位置来控制四个电磁离合器的分与合，得到齿轮的八种组合，从而得到八档转速。
(４）机械特性
根据机械工程师提供的数据:
ｎL≤５００ｒ／ｍｉｎ时为恒转矩区;
ｎL＞５００ｒ／ｍｉｎ时为恒功率区。
皮带盘传动比：λ＝２
（５）主要计算数据
负载功率按ＰL＝２ｋＷ计,由ＴL＝９５５０ＰL∕ｎL
档次
1
2
3
4
5
6
7
8
转速（r/min）
75
120
200
300
500
800
1200
2000
转矩(N·m）
38.2
38。2
38.2
38。2
38。2
23.9
15.9
9.55
折算值
（N·m)
19.1
19.1
19。1
19。1
19。1
11.9
7.95
4。8
电动机额定转矩
ＴMN＝９５５０×２.２/１４４０＝１４.６Ｎ·ｍ
显然，在ｎL≤５００ｒ／ｍｉｎ范围内，电动机将带不动负载。
（６）采用１档传动比时：
要使 ＴL’＜ＴMN＝１４。６Ｎ·ｍ
必须 λ≥３８.２/１４.６＝２.６
则:与负载各档转速对应的电动机转速如下.
ｎL(r／min）
75
120
200
300
500
800
1200
2000
ｎM（r／min)
195
312
520
780
1300
2080
3120
5200
¦X（Hz）
6。5
10。4
17.3
26
43.3
72。2
108.3
173
因为¦X＞３¦N，不适宜.
(７）解决方法──采用２档传动比
电动机侧
频率
ƒmin
ƒmax
转速
ｎMmin
ｎMmax
负载侧
低速档（λL）
ｎLmin
ｎLmid
高速档（λH）
－
ｎLmax
低速档的计算
为了提高最低速时的工作频率，取电动机的恒转矩区为
ｎL≤３００ｒ/ｍｉｎ
即:ｎL＝３００ｒ/ｍｉｎ与¦X＝５０Ｈｚ相对应。
故传动比为：
λL＝１４４０/３００＝４.８
取 λL＝５
高速档的计算
在高速档，电动机的恒转矩区为
ｎL≤１０００ｒ/ｍｉｎ
即：ｎL＝１０００ｒ/ｍｉｎ与¦X＝５０Ｈｚ相对应。
故传动比为： λH＝１４４０/１０００＝１.４４
取 λH＝１。５
两档传动比的有效转矩线
图５－２７ 两档传动比带车床的机械特性
为了保持负载机械特性的完整性,把电动机的转矩和转速都折算到负载轴上。图中的粗线便是折算到负载轴上的电动机的机械特性。
（３）变频器容量的确定
Ａ．主要考虑因素
* 车床在低速车削毛坯时，常常出现较大的过载现象,且过载时间有可能超过１分钟；
＊＊ 所选变频器为Ｖ∕Ｆ控制的通用变频器，为了在低频时能保证有足够大的切削力，应选择较大的Ｕ∕ƒ比，但在退刀后,电动机处于空载状态，磁路极易饱和,励磁电流发生畸变，变频器容易跳闸。
Ｂ．变频器的容量 比正常的配用电动机容量加大一档,选择ＳN＝６。９ＫＶＡ（配用ＰMN＝３.７ｋＷ电动机)的变频器，其额定电流ＩN＝９Ａ。
Ｃ．电动机的保护 有关的计算如下:
变频器的电流取用比
Ｉ%＝×１００%＝（５∕９）×１００％＝５５。６％
在变频器的热保护功能中，将保护电流的百分数预置为６０％。
（４）变频器的频率给定功能
图５－２８ 变频器的频率给定
一．行车变频技艺高 二．恒功率变频容量超
三．风水这边独好
（一）风机水泵节能王
１．节能的基本原理
∵ ＴL＝ＫT·ｎL2
∴ ＰL＝ＴL·ｎL∕９５５０
＝ＫT·ｎL2·ｎL∕９５５０
＝ＫP·ｎL3
例： ｎLX＝０。７５ｎLN（ƒX＝３７.５Ｈｚ)
则： ＰL＝（０.７５)3ＰLN
＝０.４２ＰLN
ΔＰ＝０.５８ＰLN
２．还要千方百计
图５－２９ 低减Ｕ∕ƒ比及对应的机械特性
（１）正确预置Ｕ∕ƒ比
图５－３０ 最佳工作点
（２）还能搜索最佳工作点
(一)风机水泵节能王
（二)恒压供水正推广
图５－３１ 恒压供水系统的构成
１．系统构成和原理
２．控制框图
图５－３２ 恒压供水系统框图
２．用水流量极少时的处理办法──“睡眠”与“唤醒"功能
图５－３３ 睡眠与唤醒功能
在水泵“睡眠”期间，不能完全停水,其对策有:
＊ 加一个辅助小泵。在睡眠期间，由小泵工作；
＊ 增加一个“气压罐”,使供水系统保持一定的压力.
３．变频器的主要功能预置
＊基本频率──５０Ｈｚ；*最大频率──５０Ｈｚ；
*上限频率──４９.５Ｈｚ；*下限频率──３０～３５Ｈｚ；
＊Ｕ∕ƒ比──低减之“０１"；
＊升、降速时间──因采用ＰＩＤ控制，可不预置。
４．两台泵同时变频的恒压控制
*节能效果 设所需流量为单台泵的１６０%，则
如用一工（５０Ｈｚ）一变(３０Ｈｚ）:
Ｐ’＝｛１＋(０。６）3}ＰN＝１。２１６ＰN
如用两台变频（４０Ｈｚ）：
Ｐ”＝２×(０.８）3ＰN＝１.０２４ＰN
图５－３４ 两台泵变频控制
＊控制要点
（一)风机水泵节能王 （二）恒压供水正推广
（三）空调也把变频装
１．中央空调系统的构成
图５－３５ 中央空调系统的构成
２．冷却水系统的变频调速
图５－３６ 冷却水系统的变频调速
图５－３７ 冷冻水系统的变频调速
４．冷冻水系统的变频调速
（一）风机水泵节能王 （二)恒压供水正推广
(三）空调也把变频装
（四)水位变频不虚妄
１．控制特点
图５－３８ 水位控制示意图
（１)用水流量ＱU的大小只能简接地影响泵水系统的工作时间，而不影响供水流量ＱG的大小.
（２）阀门通常是完全打开的。
２．节能分析
设：Ｖ为下限水位与上限水位之间水的容积（图中之阴影部分），Ｑ1为转速等于ｎ1时的流量，ｔ1为以流量Ｑ1供满容积Ｖ的水所需的时间；Ｑ2为转速等于ｎ2时的流量,ｔ2为以流量Ｑ2供满容积Ｖ的水所需的时间。则：
Ｖ＝Ｑ1ｔ1＝Ｑ2ｔ2
节能计算举例：
设电动机在额定转速（ｎ1＝ｎN)时,有:
供水流量为额定流量（Ｑ1＝ＱN);
供满容积Ｖ的水所需的时间为ｔ1＝１小时；
消耗的电功率为额定功率Ｐ1N；
供满容积Ｖ的水消耗的电能为:Ｗ1＝Ｐ1×１。
如果：将电动机的转速下降为ｎ2＝０。８ｎN，则：
供水流量为Ｑ2＝０。８Ｑ1;
供满容积Ｖ的水所需的时间为ｔ2＝１/０.８＝１。２５小时；
消耗电功率为Ｐ2＝（０。８）3Ｐ1N＝０。５１２Ｐ1N；
供满容积Ｖ的水消耗的电能为：Ｗ2＝０.５１２Ｐ1N×１。２５＝０。６４Ｗ1.
两者相比较，可节约电能：ΔＷ＝Ｗ1－Ｗ2＝０.３６Ｗ1。即,可节能３６％。
除此以外，还有全速运行时由于起动比较频繁、起动电流大而引起的功率损失以及对设备的冲击等，在变频调速时均可避免。
可见,水位控制采用变频调速后，节能效果也是相当可观的。
图５－３９ 杆式水位控制
３．电极式水位传感器及其控制
信号处理器的作用：
*放大 把电极信号放大后转换成可靠的开关信号（如继电器触点的通、断信号)。
*进行逻辑变换 如把上限水位的到达信号(相当于常开信号）变换成常闭信号，或把下限水位的缺水信号（相当于常闭信号）变换成常开信号等。
４．液位变送器及其水位控制
图５－４０ 液位变送器
外形如图。安装时,将液位变送器放入一钢管中，钢管的底端装一防护网,以防止较大的颗粒状杂物侵入。钢管的上端露出液面。
液位变送器最大可以测量０～１００ｍ的深度，这是杆式传感器所难以做到的。
液位变送器的输出信号为电流信号或电压信号。如进行恒水位控制，则可将此信号作为反馈信号。但多数情况下，须将该信号转换成与水位对应的开关信号。
水位控制的电路如图所示。
这里，与下限水位对应的触点ＫL为常闭触点,接在变频器的Ｘ４与ＣＭ之间。当水位低于下限水位时,Ｘ４与ＣＭ之间闭合,频率上升,水泵加速，增大供水流量；直至水位高于下限水位时，触点ＫL断开，频率停止上升，保持当前流量.
图５－４１ 液位变送器的水位控制
（ａ）变频器电路 (ｂ）报警电路 (ｃ）信号处理电路
当水位高于上限水位时,触点ＫH闭合，变频器的Ｘ５－ＣＭ接通,频率下降，水泵减速，减小供水流量；当水位低于上限水位时，触点ＫH断开，频率停止下降,保持当前流量。
(一）风机水泵节能王 （二）恒压供水正推广
(三)空调也把变频装 （四）水位变频不虚妄
（五）风机节能数最捧
１．风机节能强于水泵
图５－４２ 起动前直流制动
严格地说，风机、水泵的转矩公式是:
ＴL＝Ｔ0＋ＫT•ｎL2
ＰL＝Ｐ0＋ＫP•ｎL3
∵ 风机的空载转矩和空载损失比水泵小
∴ 风机节能效果比水泵好.
２．控制特点
（１）多数是开环控制；
（２）多数不允许停机，变频器发生故障时能自动切换至工频运行。
３．功能预置的特点
(１)风机的惯性较大，故升、降速时间应预置得长一些；
（２）在停机状态下,风机的叶片常因自然风而反转。因此,需要预置起动前的直流制动功能。
４．冷却风机的变频调速
(１）控制要求
＊ 当水温θ＜２５℃时，风机不起动;
＊ θ≥２５℃时，风机起动，其最低工作频率为２０Ｈｚ。即ƒX≥２０Ｈｚ；
＊ θ≥３２℃时，ƒX＝５０Ｈｚ.
(２)控制难点
与Δθ＝３２－２５＝７℃相对应的电流或电压信号太小，需进行放大。
图５－４３ 水塔冷却风机的控制框图
（３)控制框图
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