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变频器溜钩预防在起重机上的应用
  • 产品名称: 变频器溜钩预防在起重机上的应用
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变频器溜钩预防

1 引言
任何设备在使用过程中,都免不了发生故障,变频器及其外配器件也不例外。由于变频器的外配器件在一般变频器的经销公司中常常没有备件,某些进口变频器配件在国内的备品也较少。因此,要买到配件常常需要时间。而生产单位总是希望停机时间不要太长,使生产不受影响或少受影响。
起重机械在起吊重物时,以及矿山坑道的运输小车在输送矿石时,如果变频器一旦跳闸(有时是误动作),容易出现溜钩或下滑现象,有可能产生严重后果。
遇到这些情况,有必要采取应急措施,能够临时性地维持生产,或避免发生意外。笔者最近为一些读者提供了几个应急方案,效果良好,介绍如下。

2 制动电阻烧坏了怎么办?
2.1 概述
变频器说明书中提供的制动电阻的容量,是针对一般降速时计算的。如果起动和停机特别频繁,或在重力负载向下运行时,制动电阻常常因容量太小而烧坏。
一般情况下,制动电阻可以用电炉丝或其他电热设备中的发热元件来代替,如图1所示。由于电炉丝的额定电压通常是220V,而处于再生制动状态的直流回路的平均电压约为650V,故电炉丝应以三组串联为宜。

 

1 自制制动电阻

 

2.2 发热元件电阻值的计算
发热元件的额定数据只有两个:额定功率和额定电压。
上述数据是在发热状态下的数值。根据额定数据,其热态电阻值可计算如下:

RE─发热元件的热态电阻,Ω
总体来说,制动电阻并不处于连续工作的状态。接入电路的时间通常是断续的。因此,发热元件作为制动电阻使用时,其实际温度达不到电热设备的温度。所以,由式(1)计算出的热态电阻值,与冷态或温态时的电阻值相比,略微偏大一些。因为电热设备的工作温度一般在200℃以内,热态电阻与冷态电阻的差别并不很大,故式(1)的计算结果是可用的。各种规格发热元件的电阻值如表1所示。
1

2.3 计算实例

今以某37kW电动机为例,说明书中的原配制动电阻是20Ω/5kW
在再生制动过程中,直流电压的平均值以650V计,则制动电阻接入电路时消耗的功率是:

对于起动与制动比较频繁的负载,以及对于向下运行的重力负载来说,上述修正系数显然是太小了。

用发热元件代替的方案可有多种,例如,用92kW的发热元件串、并联来代替,如图1所示。则:
(1)
合成热态电阻的大小为
RB′24.2Ω
冷态电阻值接近于20Ω
(2) 总的额定功率
PB′18kW
修正系数增大为:


应该说,制动电阻的容量已经足够了。

2.4 安装要点
在安装多个发热元件时,应注意以下问题:
(1)
注意发热元件的散热问题,即各发热元件之间应相隔一定距离;
(2)
发热元件与变频器之间,应保持一定的距离,以免所产生的热量影响到变频器。

3 制动单元损坏了怎么办?
3.1 制动单元的功能及其构成
制动单元BV的功能是:当直流回路的电压UD超过规定的限值UDH时,接通能耗电路,使直流回路通过制动电阻RB释放能量。其基本构成如图2的虚线框所示,分述如下:


2 制动单元框图

(1) 功率管VB

用于接通与关断能耗电路,是制动单元的主体。
(2) 电压取样与比较电路
由于功率管VB的驱动电路是低压电路,故只能通过电阻RS1RS2进行分压,按比例取出UD的一部分US作为采样电压,和稳定不变的基准电压UA进行比较,得到控制功率管VB导通或截止的指令信号。基准电压UA的大小应与限值UDH成比例。
(3) 驱动电路
驱动电路用于接受比较电路发出的指令信号,驱动VB导通或截止。
导致直流回路电压超过限值的场合主要有两种:
l
快速停机
如果负载的惯性较大,而要求的停机的时间又较短,则在频率下降过程中,电动机转子的转速将跟不上同步转速的下降,导致变频器中直流回路的泵升电压增大,需要通过制动电路来放电;
l
具有重力负荷的负载
向下传输物品的带式输送机、下行的电动扶梯、起重机械等,在向下运行时,由于物体具有重力加速度的原因,使电动机的转速因超过同步转速而处于再生制动状态。因为在运行的全过程中,电动机一直在发电,必然使变频器中直流回路的电压不断上升,需要通过制动电路来放电。

3.2 降速过程的应急措施
导致制动单元损坏的原因可能有多种,但常见的主要有两种:
(1)
与制动电阻的阻值匹配不好而烧坏功率管;
(2)
制动单元内部的开关电源损坏,导致功率单元也损坏。
制动单元一般难以自行修复。作为临时的应急措施,制动单元中的开关器件可以用三相交流接触器来代替,其框图如图3所示。这时,接触器的三对触点必须串联,原因如下:


3 用接触器触点代替制动单元

(1) 耐压的考虑
交流接触器触点的额定电压是500V,而直流电压则大于500V。串联以后,耐压可达1500V,具有较大裕量;
(2)
灭弧的考虑
直流电路在接通和断开过程中的电弧比交流电路严重得多。将三对触点串联以后,可以起到分割电弧的作用,有利于灭弧。

3.3 接触器的选择
(1) 主触头的额定电流
考虑到接触器有可能比较频繁地接通和断开,故主触头的额定电流应适当地选大一些,一般说来,可按制动电流的(1.52)倍进行选择:
IKN≥(1.5
2)IB (2)
式中,IKN─接触器触点的额定电流,A
上例中,制动回路的平均电流约为:


由式(2):
IKN≥(1.5
2)×32.5(48.7565)A
选  IKN60A
(2) 接触器的线圈电压
与控制柜中的控制电压相同即可。
3.4 接触器的控制方法
(1) 起重机械
由控制吊钩下行的接触器的辅助触点或通过中间继电器KB来进行控制。使吊钩在每次向下运行时,制动回路就处于放电状态。
(2) 频繁起、制动的机械
由停机按钮通过中间继电器KB来进行控制。使生产机械在每次停机时,制动回路就处于放电状态。
必须说明,上述方法只能作为应急措施临时使用。如长期使用,则可能造成电能的浪费。
3.5 YAB-Ⅱ型制动单元
宜昌市自动化研究所针对上述需求,专门开发了YAB-Ⅱ型制动单元,如图4所示。主要特点如下:


4 YAB-2型制动单位

(1) 基本原理
如图4(a),它与图2所示的制动单元基本相同。但根据在能耗制动过程中,直流电压不够稳定,开关电源容易损坏的特点,稳压电源采用单独的变压器降压的方式。
(2) 结构特点
制动单元并不包括接触器。所需接触器由用户根据具体情况自行配置。其优点是:
由于采用单独的变压器降压方式,制动单元的控制部分一般不易损坏,通常只损坏接触器。将制动单元的控制部分与接触器分开后,非但降低了制动单元的价格,并且由于接触器是否损坏,以及损坏后的更换,一般电气工作人员都能判断和操作,有利于用户的自行维修。
(3) 工作特点
为了防止接触器的抖动,故接触器的吸合电压值UDH1和释放电压值UDH2之间设置了一个回差值ΔUD:
ΔUD
UDH1UDH2
目的是增大接触器在每两次接通之间的时间间隔,使接触器的接通和断开不要太频繁,如图5所示。

5 制动单元的回差

(4) 应急处理
接触器损坏:只需更换接触器即可;
控制电路损坏:只要将应急继电器的触点KB接至K1K2端子之间,就可以象图3那样由外部继电器来进行控制了,如图4(b)所示。

4 起重机械在变频器跳闸后如何防止溜钩?
4.1 溜钩现象
起重机的起升机构在吊运重物时,常常需要重物在空中停住。
由于电磁制动器的松开和抱紧过程是需要时间的,通常为0.30.6s。在此时间内,如果电动机没有转矩的话,重物必将下滑,俗称溜钩。

4.2 变频器防止溜钩的对策
不同变频器防止溜钩的对策也各不相同,但归结起来,主要有两种:
1)低频抱紧和松开
即,吊钩的停住运行运行停住的工作在极低频率下进行,使电磁制动器在松开和抱紧的过程中,电动机保持足够的转矩,从而有效地防止了溜钩。
这种方法以三菱的FR-A540系列变频器为代表,其工作时序如图6所示,说明如下:


6 FR-A540系列变频器的防溜钩对策

l 重物从停止到运行(升降)的控制过程
变频器在接到运行指令后,其工作频率只上升到fSD(0.53Hz),为了确保当制动电磁铁松开后,变频器已能控制住重物的升降而不会溜钩,所以,在工作频率到达fSD的同时,变频器将开始检测电流,经过检测时间tSC,确认电动机的转矩已经建立后,才向制动电磁铁发出通电指令,使制动电磁铁开始松开。
频率fSD将维持一个短时间tSD(0.30.8s)后,制动电磁铁已经完全松开,工作频率就可以上升到所需的运行频率了。
l 重物从运行(升降)到停住的控制过程
当运行指令撤消时,变频器的工作频率下降到fBS(38Hz)后,就暂停下降,并输出一个频率到达信号,使制动电磁铁断电。
频率fBS也维持一个短时间tBB(0.30.8s),当制动电磁铁已经完全抱紧后,再将工作频率下降至0Hz,变频器停止运行。
(2) 零速抱紧和松开
依靠变频器的预励磁零伺服功能,使电动机即使在零速的情况下,也能具有足够的转矩,使重物在空中停住,从而可以使电磁制动器从容地进行松开和抱紧。这种方法只有在有反馈矢量控制方式下才能实施。其典型代表是安川的CIMRG7系列变频器,其工作时序如图7所示,说明如下:


7 CIMR-G7系列变频器的防溜钩对策

l 重物从停止到运行(升降)的控制过程当变频器接收到运行指令后,变频器首先在零速状态下开始预励磁,使电动机产生转矩。经时间t1后,制动电磁铁开始通电,又经t2,确认制动电磁铁已经松开后,发出转速上升指令,工作频率上升到所需频率fX
l 重物从运行(升降)到停住的控制过程
首先使转速指令处于“OFF”状态,工作频率下降到0Hz时。一方面,变频器进入零伺服状态,使电动机继续保持足够的转矩;另一方面,制动电磁铁断电,开始抱紧。延时t5,确保电磁制动器已经抱紧后,撤消运行指令。

4.3 变频器跳闸时的防溜钩措施
(1) 跳闸后的溜钩
变频器跳闸后,变频器的逆变管将立即被封锁,电动机处于自由制动状态,上述控制对策完全失去作用。这时,虽然电磁制动器将因失电而开始抱紧。但在尚未抱紧的过程中,重物必将下滑,形成溜钩。
(2) 防止溜钩的措施
如果在变频器跳闸时,将外加直流电源接入电动机绕组,使电动机处于直流制动状态,如图8(a)所示。则在电磁制动器因断电而抱紧的过程中,可以防止重物下滑,避免了溜钩。外加直流电源经过适当延时后撤消。其控制电路如如图8(b)所示。


8 跳闸防溜钩的措施

当变频器跳闸时,报警输出端子的动合触点MAMC闭合,时间继电器KT得电,其动合触点立即接通,使接触器KMF得电,将外部的直流电源通入电动机,使电动机进行直流制动。
在跳闸的同时,变频器和电磁制动器的电源均被切断(图中未画出),使电磁制动器开始抱紧。
时间继电器KT延时12s后,其触点断开,接触器KMF断电,直流制动停止。

4.4 EDB型跳闸防下滑装置
根据用户的需求,宜昌市自动化研究所根据上述原理,专门生产了“EDB型跳闸防下滑装置,其外部接线如图9所示。


9 EDB的外部接线

1 EDB的接线图
如图9,端子LN220V交流电源;端子KF1KF2接变频器报警输出的动合触点;端子UVW接变频器的输出端,或电动机的进线端,其中,端子VW之间有一个短路片,用户可根据电动机绕组的接法决定是否需要拆除。但应注意,短路片拆除后端子W将是空端。
一般说来,当电动机的定子绕组为Y形接法时,短路片以接上为好,通入直流电流时的电路如图10(a)所示;当电动机的定子绕组为Δ形接法时,短路片以拆除为好,通入直流电流时的电路如图10(b)所示。


10 直流制动的接法

(2) EDB用于紧急停机
6和图7表明,吊钩每次从运行到停止的过程中,都需要有一定的时间。但有时情况比较紧急,要求吊钩能够在空中立即停住,但上述控制过程却难以实现。
EDB防溜钩装置可以比较容易地解决这个问题。只需在外部故障端子处接入一个按钮开关SB。则当需要紧急停住时,按下SB,变频器便立即因外部故障而跳闸,并因接入外部直流电源而迅速停住。
但必须注意:
紧急停机只有在变频器跳闸,逆变管已被封锁的情况下进行,否则逆变管有被损坏的可能。
由于变频器跳闸后,电源接触器KM必须断开,再次起动时,须先接通KM,操作比较复杂,故正常情况下,不宜采用这种方法来停机。

 
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