工厂运输机械的变频调速——起升机构的变频调速
一、工厂运输机械的任务和类别 1．工厂运输机械的任务
（1）完成原材料、半成品、成品等的装卸任务。
（2）把原材料、半成品、成品等从一道工序转到另一道工序。 （3）在运输过程中同时进行某些加工工艺，如电镀、油漆等。 2．工厂运输机械的主要作用
（1）减少停机时间，缩短生产周期，提高生产效率。 （2）保护工件和产品，减少物料损失。 （3）减轻劳动强度，改善劳动条件。 （4）缩短生产周期，减少运输人员等。 3．工厂运输机械的类别
（1）起重机械。如各种类型的起重机、电梯等。
（2）地面运输机械及悬置运输机械。如叉车、电动平车等。 （3）连续输送机械。如悬挂输送机、带式输送机。 二、工厂运输机械的拖动系统 1．工厂运输机械的负荷特点
绝大多数工厂运输机械的转矩都具有恒转矩的特点。 2．对机械特性的要求
不同类型的运输机械对机械特性的要求也不相同，例如，有的机械对机械特性并无要求，如输煤机、部分带式输送机等；有的机械由于要求能够准确定位，对机械特性的要求较高，如桥式起重机、部分与生产工艺紧密相关的带式输送机等。因此，在考虑工厂运输机械的拖动系统时，需要针对具体情况，进行具体分析。 3．对调速的要求
工厂运输机械普遍要求能够调速，但大部分机械的调速范围并不大。 三、起升机构的变频调速 1、电动机的工作状态
① 起升机构的组成。如图8.23所示。
图8.23 起升机构的组成 图8.24 重物上升时的工作点 ② 起升机构的转矩分析 （1）电动机的转矩（2）重力转矩
。即由电动机产生的转矩，是主动转矩，其方向可正可负。
。由重物及吊钩等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物及吊钩等的重量
的方向永远向下。
T G ?G与卷筒半径r的乘积，即： G r ，
（3）摩擦转矩
。由于减速机构的传动比较大，因此，减速机构的摩擦转矩（包括其他
损失转矩）不可小视。摩擦转矩的特点是，其方向永远与运动方向相反。 2、起升过程中电动机的工作状态 ① 重物上升
重物的上升，完全是电动机正向转矩作用的结果。这时电动机的旋转方向与转矩方向相同，处于电动机状态，其机械特性在第一象限，如图8.24中的曲线①所示，工作点为A点，转速为n1。
当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已切换至曲线②了，工作点由A点跳至A点，进入第二象限，电动机处于再生制动状态（发电机状态），其转矩变为反方向的制动转矩，使转速迅速下降，并重新进入第一象限，至B点时，处于稳定运行状态，B点便是频率降低后的新工作点，这时转速已降为n2。 ② 空钩（包括轻载）下降
空钩（或轻载）时，重物自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现。电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第三象限，如图8.25中的曲线③所示，工作点为C点，转速为n3。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线④，工作点由C点跳变至C
点，进入第四象限，电动机处于反向的再生制动状态（发
电机状态），其转矩变为正方向，以阻止重物下降，所以也是制动转矩，使下降的速度减慢，并重新进入第三象限，至D点，处于稳定状态，D点便是频率降低后的新工作点，这时转速为n4。 ③ 重载下降
重载时，重物因自身的重力而下降，电动机的旋转速度将超过同步转速而进入再生制动状态。电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向 的，其机械特性如图8.26的曲线⑤所示，工作点为E点，转速为n5。这时，电动机的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下，摩擦转矩将阻碍重物下降，故相同的重物在下降时构成的负载转矩比上升时的小。
图8.25 空钩下降时的工作点 图8.26 重载下降时的工作点 3、与原拖动系统的比较
这里的原拖动系统专指绕线转子异步电动机拖动系统。 ① 重物上升
机械特性也在第一象限，如图8.27中的曲线①所示，转速为n1。降速是通过转子电路中串入电阻来实现的，这时机械特性为曲线②，工作点由A点跳变至A点，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速降为n2。 ② 轻载下降
其工作特点与重物上升时相同，只是转矩和转速都是负的，机械特性在第三象限，如图8.27中的曲线③和曲线④所示。 ③ 重载下降
重载下降时，电动机从接法上来说是正方向的，产生的转矩也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如图8.27中的曲线⑤所示，这时电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，如图8.27中的E点所示，这时转速为n5。这种工作状态的特点是：电动机的转矩是正的，但却被重物“倒拉”着反转了，电动机处于倒拉式反接制动状态。
图8.27 绕线转子异步电动机机械特性 4、起升机构对拖动系统的要求
起升机构的主要部件是吊钩，容量较大的桥式起重机通常配有主钩和副钩，这里以主钩为例说明其对拖动系统的要求。 ① 速度调节范围 ② 上升时的预备级速度 ③ 重力势能的处理 ④ 制动方法
⑤ 必须解决好溜钩问题 ⑥ 具有点动功能
5、起升机构的变频调速改造 ① 电动机的选择
（1）如果原电动机已经年久失修，需要更换，最好选用变频专用电动机。 （2）如果原电动机是较新的鼠笼转子异步电动机，则可以直接配用变频器。
（3）如果原电动机是较新的绕线转子异步电动机，则应将转子绕组短接，并把电刷举起。 ② 变频器容量的选择
在起重机械中，因为升、降速时电流较大，应求出对应于最大起动转矩和升、降速转矩的电动机电流。通常变频器的额定电流IN可由下式求出： I N?IMN③ 制动电阻的选择
（1）位能的最大释放功率等于起重机构在装载最大重荷的情况下以最高速度下降时电动机的功率，实际上就是电动机的额定功率。
（2）耗能电阻的容量。电动机在再生制动状态下发出的电能全部消耗在耗能电阻上，因此，耗能电阻的容量PRB应与电动机容量PMN相等。 UD（3）电阻值的计算。 R≤ BPMN2k1?k3k2
D （4）制动单元的计算。I VB ≥RB2U
6、变频调速方案 ① 控制要点
（1）控制模式。一般地，为了保证在低速时能有足够大的转矩，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，需先消除传动间隙，将钢丝绳拉紧的要求，应采用S型起动方式。
（3）制动方法。采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
（4）点动制动。点动制动是用来调整被吊物体空间位置的，应能单独控制。点动频率不宜过高。 ② 调速方案
（1）变频器的选型。考虑到起升机构对运行的可靠性要求较高，故选用具有带速度反馈矢量控制功能的变频器。
（2）调速机构。虽然变频器调速是无级的，完全可以用外接电位器来进行调速，但为了便于操作人员迅速掌握，多数用户希望调速时的基本操作方法能够和原拖动系统的操作方法相同。因此，采用左、右各若干挡转速的控制方式，如图8.31所示。 ③ 控制电路
这里以日本安川G7系列变频器为例，并结合PLC控制，讲述吊钩的变频调速控制电路，如图8.31所示。
图8.31 吊钩的变频调速方案
控制电路的主要特点如下：
（1）变频器的通电与否，由按钮开关SB1和SB2通过接触器KM1进行控制。 （2）电动机的正、反转及停止由PLC控制变频器的输入端子S1和S2来实现。
（3）YB是制动电磁铁，由接触器KMB控制其是否通电，KMB的动作则根据在起升或停止过程中的需要来控制。
（4）SA是操作手柄，正、反两个方向各有7挡转速。正转时接近开关SQF1动作，反转时接近开关SQR1动作。
（5）SQF2是吊钩上升时的限位开关。开关SB3和SB4是正、反两个方向的点动按钮。 （6）PG是速度反馈用的旋转编码器，这是有反馈矢量控制所必需的。
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