变频器溜钩预防.docx

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变频器溜钩预防

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。

图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。

表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9根2kW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:

图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RS1和RS2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:

图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（1.5～2）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＝（48.75～65）A

选　IKN＝60A

（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。

3.5YAB－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:

图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＝UDH1－UDH2

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。

图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K1和K2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0.3～0.6s。

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”和“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:

图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（0.5～3Hz），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（0.3～0.8s）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（3～8Hz）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（0.3～0.8s），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”和“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CIMR－G7系列变频器，其工作时序如图7所示，说明如下:

图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。