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负载至上算变频
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>3N,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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