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变频器在DF900D架桥机中的应用及注意事项
变频器在DF900D架桥机中的应用及注意事项
六公司哈齐客专项目部架梁队 杨立新
摘要：变频器在大型设备中的应用越来越广泛，尤其是在DF900D架桥机上的使用应引起人们的重视。本文主要介绍了变频器的工作原理及在大型设备DF900D架桥机上的作用，增强了架桥机的可靠性，提高了其工作效率，改善了架桥机的运行性能，提出了变频器在使用中注意的的事项。
关键词：变频器 工作原理 注意事项
在哈齐客专900吨箱梁架设中中铁十五局使用的是DF900D架桥机承担着600孔箱梁的架设任务，DF900D架桥机能否安全、可靠、方便地工作在很大程度上取决于电气控制系统，电气控制系统由工业PC 、可编程控制器、变频器、遥控器、人机界面等主要部分构成。结合本人的实践谈谈变频器的工作原理及其注意的事项。
变频器的工作原理
变频器是把工频电源50hz或60hz变换成频率可调的交流电源，以实现控制电动机的变速运行的设备，变频器由整流（交流变直流）、滤波、再次整流（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。其主要有主电路和控制电路组成，主电路包括：整流电路、直流中间电路、逆变电路等；整流电路的主要作用是把三相或单相交流电变换成直流电，为逆变电路提供所需的直流电源。直流中间电路通过大容量的电容对输出电压进行滤波对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路的功能是在控制电路的控制下将直流中间电路输出的直流电压转换为电压频率可调的交流电压，实现对异步电动机的变频调速的控制直流电在逆变成交流电。控制电路有运算电路、检测电路、控制信号的输入/输出电路和驱动电路组成，控制电路是给异步电动机供电的主电路提供控制信号的回路。由变频器的工作原理可以知道，三相异步电动机同步转速表达式为：
n = 60 f (1 – s ) / p
式中：n----异步电动机的转速
f----异步电动的频率
s----电动机的转差率
p----电动机极对数
有上式可知转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0—75hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能调速手段。
变频器的结构原理图
二、变频器在DF900D架桥机中的应用
DF900D架桥机共使用8台FR-A700变频器来控制，使架桥机起升系统及各走行机构的性能得到很大的提高，提升平稳、减速平滑，空中启动无溜钩。采用重载低速、空载高速设计，提高效率。
主起升部分
主起升部分控制分布在两台吊梁天车上的八台卷扬机，考虑八台卷扬机的单独动作及同步联动问题，启动冲击、制动及溜钩问题。起升机构是DF900D架桥机的重点控制对象。为防止重载下降时出现溜钩现象，机构设有制动电阻和制动单元，同时在电机和减速机的高速轴和低速轴处加有双制动器，正常制动时首先制动高速端然后延迟一段时间再使低速端制动，使制动趋于平稳。另外由于变频器在制动时是先逐渐降低频率减速直到接近零赫兹时再进行制动，所以制动非常平稳。重物下降时由于势能而产生的能量将由制动电阻和制动单元消耗吸收。升降系统采用旋转编码器实现转速反馈构成闭环调速系统，可在四象限内对转速自动调节。八台单个卷扬机均可单独进行调整，以便于组拼架桥机时穿钢丝绳或单独进行调整。升降系统设有超速开关，一旦出现超速即可自动停机。起升机构在所有工作机构中电机功率最大：P=22kW×8=154kW，单机功率为22kW，选择功率为30kW的变频器八台。
2、走行机构
DF900D架桥机走行机构包括导梁天车纵移、导梁吊机纵移、前支腿吊挂纵移、后支腿纵移、辅助支腿走行轮、辅助支腿反挂轮等。各走行机构工作时最大功率为前、后驮梁小车供电，其单车功率为5.5×4=22kW，采用二台30kW变频器提供，满足要求；由于架桥机在工作时仅允许有一个机构工作，因此，所有行走机构均可共享变频器这一资源以降低成本。
DF900D架桥机整机采用了全变频调速，其中包含有各种保护功能，如：过压、欠压、过载、短路、断路、漏电、电子热保护等等。变频器对电机能起到热保护作用，由于每台变频器只能对单台电机起保护，为了保证了系统的安全，提高其可靠性，在DF900D架桥机中除起升系统为单台变频器控制单台电机外，其余都在两台以上，因此在每台电机的前端又增加了复式空气开关以保护电机。另外各执行机构还都设置了限位开关、预减速开关，来确保架桥机万无一失。
变频器使用及注意的事项
1、变频器安装
由于变频器属于精密的功率电力电子产品，其现场安装工艺的好坏也影响着变频器的正常工作。正确的安装可以确保变频器安全和无故障运行。变频器对安装环境要求较高。一般变频器使用温度范围为最低温度-10℃，最高温度不超过50℃；变频器的安装海拔高度应小于1000m，超过此规定应降容使用；变频器不能安装在经常发生振动的地方，对振动冲击较大的场合，应采用加橡胶垫等防振措施；不能安装在电磁干扰源附近；不能安装在有灰尘、腐蚀性气体等空气污染的环境；不能安装在潮湿环境中，应尽量采用密封柜式结构，并且要确保变频器通风畅通，确保控制柜有足够的冷却风量，其典型的损耗数一般按变频器功率的3%来计算柜中允许的温升值。
DF900D架桥机使用的是FR-A700变频器其安装工艺要求如下：1、确保控制柜中的所有设备接地良好，应该使用短、粗的接地线连接到公共地线上。其接地电阻应小于4欧姆，另外与变频器相连的控制设备（如PLC或PID控制仪）要与其共地。2、安装布线时将电源线和控制电缆分开，例如使用独立的线槽等。如果控制电路连接线必须和电源电缆交叉，应成90°交叉布线。3、使用屏蔽导线或双绞线连接控制电路时，确保未屏蔽之处尽可能短，条件允许时应采用电缆套管。4、确保控制柜中的接触器有灭弧功能，交流接触器采用R-C抑制器，也可采用压敏电阻抑制器。5、用屏蔽和铠装电缆作为电机接线时，要将屏蔽层双端接地。6、如果变频器运行在对噪声敏感的环境中，可以采用RFI滤波器减小来自变频器的传导和辐射干扰。为达到最优效果，滤波器与安装金属板之间应有良好的导电性。
2、变频器与制动单元的连接
变频器虽然有内置电阻，但由于DF900D架桥机在实施高频率运行时，内置的制动电阻热能力将不足，需要在外部安装专用制动电阻来提高减速时的制动能力，下图是连接FR-BU(H)制动单元的线路图
制动单元应安装在制动单元附属的电缆能连接到变频器的范围内，制动单元和变频器间的配线使用制动单元附属的电缆，将主电源的电缆连接到变频器的P/+,N/-端子上，切开变频器上部的橡胶衬套并穿入控制电路电源，连接至变频器内部的接口。如果制动单元内的晶体管被损坏，电阻将非常热。因此应在变频器的电源侧安装电磁接触器，可在故障时切断电源。
3、变频器散热
变频器工作时，流过变频器的电流是很大的, 变频器产生的热量也是非常大的，不能忽视其发热所产生的影响。变频器的故障率随温度升高而成指数的上升。由于变频器的容许周围温度是-10℃---50℃，必须在此温度范围内使用。超过此范围使用时，半导体，元件，电容等的寿命会显著缩短。应采取以下措施，将变频器的周围环境温度控制在规定的范围内。
采用强迫换气等冷却方式。
将变频器电器柜安装在有空调的电气室内。
避免直射阳关。
设置遮盖板等避免直射的热源的辐射热，暖风等
保证电气柜周围有良好的通风
通常，变频器安装在控制柜中。变频器的发热量可以用以下公式估算： 发热量的近似值＝ 变频器容量（KW）×55,由于变频器带有直流电抗器或交流电抗器, 并且在柜子里面, 这时发热量会更大一些。再加上有制动电阻，制动电阻的散热量很大，最好应和变频器隔离开。当变频器安装在控制机柜中时，要考虑变频器发热值的问题。根据机柜内产生热量值的增加，要适当地增加机柜的尺寸。因此，要使控制机柜的尺寸尽量减小，就必须要使机柜中产生的热量值尽可能地减少。如果在变频器安装时，把变频器的散热器部分放到控制机柜的外面，将会使变频器有70％的发热量释放到控制机柜的外面。由于大容量变频器有很大的发热量，所以对大容量变频器更加有效。还可以用隔离板把本体和散热器隔开, 使散热器的散热不影响到变频器本体。变频器散热设计中都是以垂直安装为基础的，横着放散热会变差。FR-A700变频器是功率稍比较大的变频器，带有冷却风扇。同时在控制柜上出风口安装冷却风扇。进风口要加滤网以防止灰尘进入控制柜。
4、FR-A700变频器注意事项
电源及电机接线的压着端子，使用带有绝缘套管的端子。
电源一定不能接到变频器的输出端子（U,V,W）上，否则将损坏变频器。
接线后，零碎线头必须清除干净。在控制台上打孔时，不要使碎粉片粉末等进入变频器中。
布线距离最长为500m，特别是进行长距离配线时，受到因配线的寄生电容而产生的冲击电流的影响，会有高响应电流限制功能下降，连接在变频器输出侧的机器发生误动作等不良现象，所以应注意总配线长度。
变频器输入/输出包含有谐波成份，可能干扰变频器附近的通信设备。因此，安装选件抗干扰滤波器，是干扰降至最小。
不要使用变频器输入侧的电磁接触器启动，停止变频器。
在有工频供电与变频器切换的操作中，设计时需要为MC1和MC2提供电气和机械互锁。在按下图设计的工频供电与变频器切换电路时，还应考虑在切换时的电弧或程序错误时造成的振荡等等，引起来自电源的电流损坏变频器。
在停电后电源恢复时，如果需要防止机械再启动，在设计变频器一次侧的电磁接触器的同时，还应设计将控制的启动信号断开。
变频器反复进行高频率的运行停止时，有大量的电流反复通过，使得变频器的晶体管元件因温度反复上升，下降导致热疲劳使用寿命缩短。因热疲劳受电流的大小影响，因此通过限制电流或降低启动电流等时可以延长其使用寿命。虽然降低电流可以延长寿命，但如果电流本身降低则会引起旋转动力不足，无法启动等。因此，可以采取扩大变频器的容量，以增加电流富余空间的措施。
结束语
以上通过对DF900D架桥机的变频器工作原理及安装工艺的分析，提出了应该注意的几点事项。随着新技术和新理论不断在变频器上的应用，变频器在大型设备上的应用增强了大型设备的可靠性，提高了其工作效率，改善了设备的运行性能。
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