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淺談起重機(jī)變頻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工學(xué)論文
【摘要】文章主要介紹了電力電子器件的發(fā)展、交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及針對電動(dòng)葫蘆型起重機(jī)專用的變頻控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、電路參數(shù)計(jì)算及軟件設(shè)計(jì)、仿真等。
【關(guān)鍵詞】起重機(jī)；變頻控制；電流反饋
一般性能的節(jié)能調(diào)速在過去大量的所謂不變速交流傳動(dòng)中，風(fēng)機(jī)、水泵等機(jī)械總?cè)萘繋缀跽脊I(yè)電氣傳動(dòng)總?cè)萘康囊话�，其中不少場合并不是不需要調(diào)速，只是因?yàn)檫^去交流電機(jī)本身不調(diào)速，不得不依賴擋板和閥門來調(diào)節(jié)送風(fēng)和供水的流量，許多電能因而白白的被浪費(fèi)掉了。如果換成交流調(diào)速系統(tǒng)，把消耗再擋板和閥門上的能量節(jié)省下來，每臺風(fēng)機(jī)、水泵平均約可節(jié)能20%，效果是很可觀的。
高性能交流調(diào)速系統(tǒng)許多在工藝上就需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械，過去多用直流傳動(dòng)，鑒于交流電機(jī)比直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、效率高，如果改成交流調(diào)速，顯然能夠帶來不少的效益。但是，由于交流電機(jī)原理上的原因，其電磁轉(zhuǎn)矩難以像直流電機(jī)那樣直接通過電流實(shí)行靈活的即時(shí)控制。70年代初發(fā)明了矢量控制技術(shù)，通過坐標(biāo)變換，把交流電機(jī)的定子電流分解成勵(lì)磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，用來分別控制磁通和轉(zhuǎn)矩，就可以獲得和直流電機(jī)相媲美的高動(dòng)態(tài)性能，從而使交流電機(jī)的調(diào)速技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展。
特大容量及高轉(zhuǎn)速的交流調(diào)速直流電機(jī)換向器的換向能力限制了它的容量和轉(zhuǎn)速，其極限容量與轉(zhuǎn)速的乘積約為10KW·r/min，超過這個(gè)數(shù)值時(shí)，直流電機(jī)的設(shè)計(jì)與制造就非常困難了。交流電機(jī)則不受這個(gè)限制，因此，特大容量的傳動(dòng)，如厚板札機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)等，和極高轉(zhuǎn)速的傳動(dòng)，如高速磨頭、離心機(jī)等，都以采用交流調(diào)速為宜。
一、起重機(jī)發(fā)展趨勢
物料搬運(yùn)成為人類生產(chǎn)活動(dòng)的重要組成部分，距今已有五千多年的發(fā)展歷史。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，自動(dòng)化程度的提高，作為物料搬運(yùn)重要設(shè)備的起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)過程中應(yīng)用越來越廣，作用愈來愈大，對起重機(jī)的要求也越來越高。起重機(jī)正經(jīng)歷著一場巨大的變革。發(fā)展趨勢：大型化和專用化、輕型化和多樣化、自動(dòng)化和智能化、成套化和系統(tǒng)化、新型化和實(shí)用化。
二、電動(dòng)葫蘆
電動(dòng)葫蘆，簡稱電葫蘆。由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和卷筒或鏈輪組成，分鋼絲繩電動(dòng)葫蘆和環(huán)鏈電動(dòng)葫蘆兩種。通常用自帶制動(dòng)器的鼠籠型錐形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)（本次設(shè)計(jì)既是選用此種電機(jī)）（或另配電磁制動(dòng)器的圓柱形轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)）驅(qū)動(dòng)，起重量一般為0.1～80t，起升高度為3～30m。多數(shù)電動(dòng)葫蘆由人用按鈕在地面跟隨操縱，也可在司機(jī)室內(nèi)操縱或采用有線（無線）遠(yuǎn)距離控制。電動(dòng)葫蘆除可單獨(dú)使用外，還可同手動(dòng)、鏈動(dòng)或電動(dòng)小車裝配在一起，懸掛在建筑物的頂棚或起重機(jī)的梁上使用。
三、三相異步電動(dòng)機(jī)及工作原理簡介
三相異步電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子和轉(zhuǎn)子之間是空氣隙。三相異步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良、制造成本低、維修費(fèi)用省、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。正常情況下，定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n不同步，這是因?yàn)槿绻�，轉(zhuǎn)子與旋轉(zhuǎn)磁場之間不再有相對運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)體不再切割磁場，就沒有感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生，也就沒有了轉(zhuǎn)子電流和電磁轉(zhuǎn)矩，無法維持電動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。
三相異步電動(dòng)機(jī)有一個(gè)很重要的參數(shù)：轉(zhuǎn)差率——用s表示，其定義式為
在很多情況下，用s表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比直接用轉(zhuǎn)速n方便得多，使很多運(yùn)算大為簡化。一般異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率在0.02～0.05之間。大部分廠家生產(chǎn)的異步電動(dòng)機(jī)的銘牌上標(biāo)有下列數(shù)據(jù)：
1．額定功率P：電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)軸端輸出的機(jī)械功率，單位一般為kw
2．額定電壓U：電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)定子加的線電壓，單位為v或kv
3．額定電流I：定子加額定電壓、軸端輸出額定功率時(shí)的定子線電流，單位為A
4．額定頻率f：我國工頻為50Hz
5．額定轉(zhuǎn)速n：電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min
四、籠形轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
籠形轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)具有轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)堅(jiān)實(shí)、效率高、價(jià)格低、控制設(shè)備簡單和維護(hù)使用方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在各種應(yīng)用領(lǐng)域中使用最廣泛。但這種電機(jī)的啟動(dòng)性能較差，即啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩低而啟動(dòng)電流很大。因此在選擇使用時(shí)應(yīng)考慮啟動(dòng)問題，即：1．啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tk應(yīng)大于負(fù)載靜轉(zhuǎn)矩Tl；2．啟動(dòng)電流在供電電網(wǎng)上造成的瞬間電壓降不能超過容許值；3．在啟動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)的能量損失要小。
本次設(shè)計(jì)用電機(jī)為錐形轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)。常用的電動(dòng)葫蘆用錐形轉(zhuǎn)子制動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)型號有：YEZS、YREZ、YBFZ和YBEZX等幾種。該類型電機(jī)的主要特點(diǎn)是利用其錐形轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)在通電時(shí)產(chǎn)生磁拉力，打開制動(dòng)機(jī)構(gòu)，使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
該類電動(dòng)機(jī)的定額是斷續(xù)周期工作制S，負(fù)載持續(xù)率不低于25%，每小時(shí)等效起動(dòng)次數(shù)不低于120次。電源頻率為50Hz，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。4.5KW及以下的額定轉(zhuǎn)速為1380r/min。7.5KW以上的額定轉(zhuǎn)速為1400r/min。允許最大轉(zhuǎn)速為3750r/min,
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