變頻器在DF900D架橋機(jī)中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)
變頻器在DF900D架橋機(jī)中的應(yīng)用及注意事項(xiàng)
六公司哈齊客專項(xiàng)目部架梁隊(duì) 楊立新
摘要：變頻器在大型設(shè)備中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在DF900D架橋機(jī)上的使用應(yīng)引起人們的重視。本文主要介紹了變頻器的工作原理及在大型設(shè)備DF900D架橋機(jī)上的作用，增強(qiáng)了架橋機(jī)的可靠性，提高了其工作效率，改善了架橋機(jī)的運(yùn)行性能，提出了變頻器在使用中注意的的事項(xiàng)。
關(guān)鍵詞：變頻器 工作原理 注意事項(xiàng)
在哈齊客專900噸箱梁架設(shè)中中鐵十五局使用的是DF900D架橋機(jī)承擔(dān)著600孔箱梁的架設(shè)任務(wù)，DF900D架橋機(jī)能否安全、可靠、方便地工作在很大程度上取決于電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)由工業(yè)PC 、可編程控制器、變頻器、遙控器、人機(jī)界面等主要部分構(gòu)成。結(jié)合本人的實(shí)踐談?wù)勛冾l器的工作原理及其注意的事項(xiàng)。
變頻器的工作原理
變頻器是把工頻電源50hz或60hz變換成頻率可調(diào)的交流電源，以實(shí)現(xiàn)控制電動機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備，變頻器由整流（交流變直流）、濾波、再次整流（直流變交流）、制動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。其主要有主電路和控制電路組成，主電路包括：整流電路、直流中間電路、逆變電路等；整流電路的主要作用是把三相或單相交流電變換成直流電，為逆變電路提供所需的直流電源。直流中間電路通過大容量的電容對輸出電壓進(jìn)行濾波對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路的功能是在控制電路的控制下將直流中間電路輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為電壓頻率可調(diào)的交流電壓，實(shí)現(xiàn)對異步電動機(jī)的變頻調(diào)速的控制直流電在逆變成交流電。控制電路有運(yùn)算電路、檢測電路、控制信號的輸入/輸出電路和驅(qū)動電路組成，控制電路是給異步電動機(jī)供電的主電路提供控制信號的回路。由變頻器的工作原理可以知道，三相異步電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：
n = 60 f (1 – s ) / p
式中：n----異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速
f----異步電動的頻率
s----電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率
p----電動機(jī)極對數(shù)
有上式可知轉(zhuǎn)速n與頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在0—75hz的范圍內(nèi)變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的，是一種理想的高效率、高性能調(diào)速手段。
變頻器的結(jié)構(gòu)原理圖
二、變頻器在DF900D架橋機(jī)中的應(yīng)用
DF900D架橋機(jī)共使用8臺FR-A700變頻器來控制，使架橋機(jī)起升系統(tǒng)及各走行機(jī)構(gòu)的性能得到很大的提高，提升平穩(wěn)、減速平滑，空中啟動無溜鉤。采用重載低速、空載高速設(shè)計，提高效率。
主起升部分
主起升部分控制分布在兩臺吊梁天車上的八臺卷揚(yáng)機(jī)，考慮八臺卷揚(yáng)機(jī)的單獨(dú)動作及同步聯(lián)動問題，啟動沖擊、制動及溜鉤問題。起升機(jī)構(gòu)是DF900D架橋機(jī)的重點(diǎn)控制對象。為防止重載下降時出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)設(shè)有制動電阻和制動單元，同時在電機(jī)和減速機(jī)的高速軸和低速軸處加有雙制動器，正常制動時首先制動高速端然后延遲一段時間再使低速端制動，使制動趨于平穩(wěn)。另外由于變頻器在制動時是先逐漸降低頻率減速直到接近零赫茲時再進(jìn)行制動，所以制動非常平穩(wěn)。重物下降時由于勢能而產(chǎn)生的能量將由制動電阻和制動單元消耗吸收。升降系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋構(gòu)成閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，可在四象限內(nèi)對轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)。八臺單個卷揚(yáng)機(jī)均可單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整，以便于組拼架橋機(jī)時穿鋼絲繩或單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。升降系統(tǒng)設(shè)有超速開關(guān)，一旦出現(xiàn)超速即可自動停機(jī)。起升機(jī)構(gòu)在所有工作機(jī)構(gòu)中電機(jī)功率最大：P=22kW×8=154kW，單機(jī)功率為22kW，選擇功率為30kW的變頻器八臺。
2、走行機(jī)構(gòu)
DF900D架橋機(jī)走行機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)梁天車縱移、導(dǎo)梁吊機(jī)縱移、前支腿吊掛縱移、后支腿縱移、輔助支腿走行輪、輔助支腿反掛輪等。各走行機(jī)構(gòu)工作時最大功率為前、后馱梁小車供電，其單車功率為5.5×4=22kW，采用二臺30kW變頻器提供，滿足要求；由于架橋機(jī)在工作時僅允許有一個機(jī)構(gòu)工作，因此，所有行走機(jī)構(gòu)均可共享變頻器這一資源以降低成本。
DF900D架橋機(jī)整機(jī)采用了全變頻調(diào)速，其中包含有各種保護(hù)功能，如：過壓、欠壓、過載、短路、斷路、漏電、電子熱保護(hù)等等。變頻器對電機(jī)能起到熱保護(hù)作用，由于每臺變頻器只能對單臺電機(jī)起保護(hù)，為了保證了系統(tǒng)的安全，提高其可靠性，在DF900D架橋機(jī)中除起升系統(tǒng)為單臺變頻器控制單臺電機(jī)外，其余都在兩臺以上，因此在每臺電機(jī)的前端又增加了復(fù)式空氣開關(guān)以保護(hù)電機(jī)。另外各執(zhí)行機(jī)構(gòu)還都設(shè)置了限位開關(guān)、預(yù)減速開關(guān)，來確保架橋機(jī)萬無一失。
變頻器使用及注意的事項(xiàng)
1、變頻器安裝
由于變頻器屬于精密的功率電力電子產(chǎn)品，其現(xiàn)場安裝工藝的好壞也影響著變頻器的正常工作。正確的安裝可以確保變頻器安全和無故障運(yùn)行。變頻器對安裝環(huán)境要求較高。一般變頻器使用溫度范圍為最低溫度-10℃，最高溫度不超過50℃；變頻器的安裝海拔高度應(yīng)小于1000m，超過此規(guī)定應(yīng)降容使用；變頻器不能安裝在經(jīng)常發(fā)生振動的地方，對振動沖擊較大的場合，應(yīng)采用加橡膠墊等防振措施；不能安裝在電磁干擾源附近；不能安裝在有灰塵、腐蝕性氣體等空氣污染的環(huán)境；不能安裝在潮濕環(huán)境中，應(yīng)盡量采用密封柜式結(jié)構(gòu)，并且要確保變頻器通風(fēng)暢通，確保控制柜有足夠的冷卻風(fēng)量，其典型的損耗數(shù)一般按變頻器功率的3%來計算柜中允許的溫升值。
DF900D架橋機(jī)使用的是FR-A700變頻器其安裝工藝要求如下：1、確保控制柜中的所有設(shè)備接地良好，應(yīng)該使用短、粗的接地線連接到公共地線上。其接地電阻應(yīng)小于4歐姆，另外與變頻器相連的控制設(shè)備（如PLC或PID控制儀）要與其共地。2、安裝布線時將電源線和控制電纜分開，例如使用獨(dú)立的線槽等。如果控制電路連接線必須和電源電纜交叉，應(yīng)成90°交叉布線。3、使用屏蔽導(dǎo)線或雙絞線連接控制電路時，確保未屏蔽之處盡可能短，條件允許時應(yīng)采用電纜套管。4、確保控制柜中的接觸器有滅弧功能，交流接觸器采用R-C抑制器，也可采用壓敏電阻抑制器。5、用屏蔽和鎧裝電纜作為電機(jī)接線時，要將屏蔽層雙端接地。6、如果變頻器運(yùn)行在對噪聲敏感的環(huán)境中，可以采用RFI濾波器減小來自變頻器的傳導(dǎo)和輻射干擾。為達(dá)到最優(yōu)效果，濾波器與安裝金屬板之間應(yīng)有良好的導(dǎo)電性。
2、變頻器與制動單元的連接
變頻器雖然有內(nèi)置電阻，但由于DF900D架橋機(jī)在實(shí)施高頻率運(yùn)行時，內(nèi)置的制動電阻熱能力將不足，需要在外部安裝專用制動電阻來提高減速時的制動能力，下圖是連接FR-BU(H)制動單元的線路圖
制動單元應(yīng)安裝在制動單元附屬的電纜能連接到變頻器的范圍內(nèi)，制動單元和變頻器間的配線使用制動單元附屬的電纜，將主電源的電纜連接到變頻器的P/+,N/-端子上，切開變頻器上部的橡膠襯套并穿入控制電路電源，連接至變頻器內(nèi)部的接口。如果制動單元內(nèi)的晶體管被損壞，電阻將非常熱。因此應(yīng)在變頻器的電源側(cè)安裝電磁接觸器，可在故障時切斷電源。
3、變頻器散熱
變頻器工作時，流過變頻器的電流是很大的, 變頻器產(chǎn)生的熱量也是非常大的，不能忽視其發(fā)熱所產(chǎn)生的影響。變頻器的故障率隨溫度升高而成指數(shù)的上升。由于變頻器的容許周圍溫度是-10℃---50℃，必須在此溫度范圍內(nèi)使用。超過此范圍使用時，半導(dǎo)體，元件，電容等的壽命會顯著縮短。應(yīng)采取以下措施，將變頻器的周圍環(huán)境溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。
采用強(qiáng)迫換氣等冷卻方式。
將變頻器電器柜安裝在有空調(diào)的電氣室內(nèi)。
避免直射陽關(guān)。
設(shè)置遮蓋板等避免直射的熱源的輻射熱，暖風(fēng)等
保證電氣柜周圍有良好的通風(fēng)
通常，變頻器安裝在控制柜中。變頻器的發(fā)熱量可以用以下公式估算： 發(fā)熱量的近似值＝ 變頻器容量（KW）×55,由于變頻器帶有直流電抗器或交流電抗器, 并且在柜子里面, 這時發(fā)熱量會更大一些。再加上有制動電阻，制動電阻的散熱量很大，最好應(yīng)和變頻器隔離開。當(dāng)變頻器安裝在控制機(jī)柜中時，要考慮變頻器發(fā)熱值的問題。根據(jù)機(jī)柜內(nèi)產(chǎn)生熱量值的增加，要適當(dāng)?shù)卦黾訖C(jī)柜的尺寸。因此，要使控制機(jī)柜的尺寸盡量減小，就必須要使機(jī)柜中產(chǎn)生的熱量值盡可能地減少。如果在變頻器安裝時，把變頻器的散熱器部分放到控制機(jī)柜的外面，將會使變頻器有70％的發(fā)熱量釋放到控制機(jī)柜的外面。由于大容量變頻器有很大的發(fā)熱量，所以對大容量變頻器更加有效。還可以用隔離板把本體和散熱器隔開, 使散熱器的散熱不影響到變頻器本體。變頻器散熱設(shè)計中都是以垂直安裝為基礎(chǔ)的，橫著放散熱會變差。FR-A700變頻器是功率稍比較大的變頻器，帶有冷卻風(fēng)扇。同時在控制柜上出風(fēng)口安裝冷卻風(fēng)扇。進(jìn)風(fēng)口要加濾網(wǎng)以防止灰塵進(jìn)入控制柜。
4、FR-A700變頻器注意事項(xiàng)
電源及電機(jī)接線的壓著端子，使用帶有絕緣套管的端子。
電源一定不能接到變頻器的輸出端子（U,V,W）上，否則將損壞變頻器。
接線后，零碎線頭必須清除干凈。在控制臺上打孔時，不要使碎粉片粉末等進(jìn)入變頻器中。
布線距離最長為500m，特別是進(jìn)行長距離配線時，受到因配線的寄生電容而產(chǎn)生的沖擊電流的影響，會有高響應(yīng)電流限制功能下降，連接在變頻器輸出側(cè)的機(jī)器發(fā)生誤動作等不良現(xiàn)象，所以應(yīng)注意總配線長度。
變頻器輸入/輸出包含有諧波成份，可能干擾變頻器附近的通信設(shè)備。因此，安裝選件抗干擾濾波器，是干擾降至最小。
不要使用變頻器輸入側(cè)的電磁接觸器啟動，停止變頻器。
在有工頻供電與變頻器切換的操作中，設(shè)計時需要為MC1和MC2提供電氣和機(jī)械互鎖。在按下圖設(shè)計的工頻供電與變頻器切換電路時，還應(yīng)考慮在切換時的電弧或程序錯誤時造成的振蕩等等，引起來自電源的電流損壞變頻器。
在停電后電源恢復(fù)時，如果需要防止機(jī)械再啟動，在設(shè)計變頻器一次側(cè)的電磁接觸器的同時，還應(yīng)設(shè)計將控制的啟動信號斷開。
變頻器反復(fù)進(jìn)行高頻率的運(yùn)行停止時，有大量的電流反復(fù)通過，使得變頻器的晶體管元件因溫度反復(fù)上升，下降導(dǎo)致熱疲勞使用壽命縮短。因熱疲勞受電流的大小影響，因此通過限制電流或降低啟動電流等時可以延長其使用壽命。雖然降低電流可以延長壽命，但如果電流本身降低則會引起旋轉(zhuǎn)動力不足，無法啟動等。因此，可以采取擴(kuò)大變頻器的容量，以增加電流富余空間的措施。
結(jié)束語
以上通過對DF900D架橋機(jī)的變頻器工作原理及安裝工藝的分析，提出了應(yīng)該注意的幾點(diǎn)事項(xiàng)。隨著新技術(shù)和新理論不斷在變頻器上的應(yīng)用，變頻器在大型設(shè)備上的應(yīng)用增強(qiáng)了大型設(shè)備的可靠性，提高了其工作效率，改善了設(shè)備的運(yùn)行性能。
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