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96铁道标准设计1999年8、9期
变频调速控制系统在门式起重机上的应用

铁道部专业设计院机动处刘庆德

提要介绍矢量控制的高频调速闭环系统在起重机上的应用。

关键词起重机变频调速矢量控制

目前,门式起重机已广泛应用于各种货场
及码头等场所。大部分门式起重机采用交流拖
动及传统的控制方式,但在不同程度上存在着
消耗功率大、效率低,低速起动力矩小、制动力
矩小、速度不太稳定、线路复杂和可靠性、安全
性较差的缺点。近几年来,某些国家研究的交—
交变频矢量控制调速系统,力图解决低速起动
力矩和制动力矩偏小的问题。但由于技术尚未
成熟,实际使用中系统的稳定性、可靠性及安全
72—转子磁链;7m—气隙磁链;I1—定子电流;I1T—I1的
′
性仍较差;而采用日本三菱公司新型的FR—转矩电流分量;I1M—I1的励磁电流分量;I2—转子电流;

A240系列和FR—A241系列的矢量控制交—E2—转子电势;U2—转子功率因数角。
直—交变频器和可编程控制器(PLC)组成的控图1异步电动机相量图
制系统。其调速性能可完全满足起重机的调速其中5m对应于磁链7m,52对应于72。由
要求。由于采用了矢量控制方式,从而使该系统此可见,如果设法保持转子磁链72恒定(即保
具备了平滑调速、起制动力矩大、能量回馈和顺持转子磁通52恒定),那么电动机的转矩T就
序控制等功能,该起重机的电控系统达到了国和转子电流I2成正比。控制转子电流就能控制
际先进水平。电动机的转矩T,从而能使系统拥有较好的动
1矢量控制态特性,这就是按转子磁链定向的矢量控制方
矢量控制是模拟直流电动机的控制特点来法的基本思想。
控制异步电动机,也就是通过矢量变换将定子电动机转子磁链为:
电流矢量分解成物理上不直接存在的转矩电流72=L12/(1+S2PI1m)(3)
和励磁电流,再对这两个量分别进行控制,最后式中L12——定转子绕组互感;
再进行反变换,从而实现对异步电动机的控制。S2——L22/R2转子绕组的时间常数;

从产生电磁转矩的角度来看,异步电动机L22——转子绕组的漏感;

转矩公式为:R2——转子绕组的电阻;

T=CT5mI2cosU2(1)P——为算子。

可见它是气隙磁通5m和转子电流的有功从式(2)和(3)式可知,转矩和磁链是与电

分量I2cosU2相互作用而产生的。从异步电动机机参数有关,在实现矢量控制之前必须测定转
的向量图(图1)中可知,异步电动机转子绕组子电阻,互感和漏抗,而这些参数可通过电机空

的总磁链72=7m-72L和转子电流I2相互垂载和短路试验中获得,由于现场并不具备做这

直。而且52=cos5m,把它代入(1)式则得到:些试验的条件,需利用变频器的特殊功能,在电

T=CT5mõI2cosU2=CTõ52õI2(2)机静止时自动测定电机参数,再经过内部自动
变频调速控制系统在门式起重机上的应用——刘庆德97

调整,达到变频器和电机之间的最优匹配。2顺序起制动控制
控制门式起重机起升机构的关键是要解决在门式起重机的工作过程中,起升机构提
低速起动力矩大,下放时制动力矩大和速度平升或下放重物时,安全可靠相当重要。为此,系
稳调节。所以矢量控制这种面向转矩的控制方统设置了顺序起制动控制功能,保证了低速起
式特别适用于起重机的起升机构,而且变频器动力矩和制动的准确性,防止吊钩下滑造成的
的输出功率是逐渐变化的,可以实现平滑调速,安全事故。在顺序起制动控制中,变频器起动和
也有利于准确定位。制动过程的动作响应图如图3所示。

图2变频器启动和制动过程的动作响应图
(1)起动过程:当输入正转起动信号不足引起重物跌落的危险情形。采用低速制动

(STF)到变频器后,其输出频率从起动频率f1的方法可以克服上述缺点,而且在f3与f4之
开始上升,此时电磁制动机构仍未释放。当输出间,系统处于再生制动状态,从而使系统拥有更

频率达到制动器释放频率f2时,变频器输出制高的安全可靠性能。
动释放要求信号(RUN),准备释放电磁制动机3效果分析
构,随后变频器将接收到制动释放完毕信号采用变频器和可编程控制器组成的门式起

(STOP),待制动器完全打开(打开延时t2)后,重机的调速系统,不仅可以明显提高门式起重

电动机开始转动并上升至目标频率f3。可见,机的安全性、可靠性,而且可以提高装卸效率、
在电动机低速起动以前变频器已经输出一个足降低能源消耗、降低维修费用、减少劳动强度。
够大的提升力矩,也就是当电磁制动机构打开满足其工况和作业需要,适应装卸作业向集装
前,电动机已产生一个可支持重物的力矩,当制箱化运输方向发展的要求。这主要表现在:
动器打开时,这个力矩可以防止发生起动时力(1)提高系统的安全性。系统采用PLC和
矩不足而导致重物下滑的危险现