摘要：本文分析了起重機的運行特點，詳細闡述了英威騰CHV190起重機專用變頻器用於起重機調速時的選型原則和周邊設備的容量計算方法，並介紹了CHV190變頻器在門式起重機中的應用案例。

關鍵詞：英威騰CHV190起重機專用變頻器   門式起重機    電氣製動

INVT CHV190 Inverter Applied to Crane  

Abstract:This paper analyses the operation characteristic of crane, discuss 
the selection principle when INVT CHV190 series frequency inverter for crane 
application and the calculation formulas of capacity for periphery equipment. 
Then introduce the application examples of CHV190 series frquency inverter for 
the frame crane。

Keyword: INVT CHV190 Inverter Applied to Crane  Frame crane   Electric 
brake

 

1   前言

隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統的起重機調速方法如：繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，它們要求定期維護，由集電環和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大
，調速係統的故障率較高，而且調速係統的綜合技術指標較差
，已不能滿足工業生產的特殊要求。

交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大範圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機
，並且高效、節能
，其外圍控製線路簡單，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速係統有較大的提高。所以，采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發展的主流。

交流變頻調速技術應用於起重機後，與市場上大量使用的傳統的繞線異步電動機轉子串電阻調速係統相比，可帶來以下顯著經濟效益和安全可靠性：

（1）采用交流變頻調速技術的起重機由於變頻器驅動的電動機機械特性硬

，具有精確定位的優點，不會出現傳統起重機負載變化時電動機轉速也隨之變化的現象，可以提高裝卸作業的生產率。

（2）變頻起重機運行平穩，起
、製動平緩，運行中加、減速時整機振動和衝擊明顯減小，安全性提高，並且延長了起重機機械部分的壽命。

（3）機械製動器在電動機低速時動作
，主鉤以及大、小車的製動由電氣製動完成，所以機械製動器的製動片壽命大為延長，維護保養費用下降。

（4）采用結構簡單、可靠性高的鼠籠異步電動機取代繞線轉子異步電動機
，避免了因集電環、電刷磨損或腐蝕引起接觸不良而造成電動機損壞或不能起動的故障。

（5）交流接觸器大量減少，電動機主回路實現了無觸點化控製，避免了因接觸器觸頭頻繁動作而燒損以及由於接觸器觸頭燒損而引起的電動機損壞故障。

（6）交流變頻調速係統可以根據現場情況，靈活調整各檔速度和加
、減速時間
，使得變頻起重機操作靈活、現場適應性好。

（7）交流變頻調速係統屬高效率調速係統
，運行效率高，發熱損耗小，因此比老式調速係統大量節電。

（8）變頻器具有完善的保護、監測及自診斷功能
，如再結合PLC控製
，可大幅度提高變頻起重機電控係統的可靠性。

2   起重機運行的特點

（1）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩
，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。

（2）由於機械製動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械製動器的製動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械製動器動作信號的控製時序。

（3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時
，電動機將處於再生發電狀態，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現場情況研討如何處理這部分再生能量。

（4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地麵瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種衝擊性負載進行平滑控製。

3   英威騰CHV190起重機專用變頻器簡介

3.1 主要功能及特點

CHV190起重機專用變頻器是英威騰公司針對起重行業專業設計的一款高性能矢量變頻器，用於各類起重機的起升、俯仰、變幅
、大車、小車、回轉
、抓鬥等機構的交流無級調速。主要的功能及特點如下：

（1）抱閘邏輯控製與監控

準確的抱閘開啟和閉合控製時序，通過抱閘實時狀態反饋和起動預轉矩補償，確保控製的安全性和可靠性。

（2）輕負載升速（電子副鉤）

起重機空鉤或輕載時實現2倍速運行，提高裝卸效率。輕負載升速功能主要應用於起升高度較大的起重機：在起升機構空載運行時自動使速度上升，以縮短時間來提高裝卸效率
；重載時自動降低速度以確保設備和人身的安全。變頻器根據啟動後一段時間內的平均電流值來判斷負荷的大小：當負載重時，變頻器自動降低輸出頻率；當負載輕時，變頻器自動提高輸出頻率。 

（3）控製回路電源和主回路電源可以分別控製提高了用戶調試時的安全性，便於故障診斷與維護。 

（4）主從控製功率平衡與速度同步技術

在兩個大功率電機通過減速箱剛性連接驅動一個起升機構時，主從控製功率平衡功能保證兩個電機出力均勻；在雙起升機構提升一個重物時，主從控製速度同步功能保證兩個起升機構同步提升
，確保安全。

（5）第二電機控製及切換功能

一台變頻器通過參數自學習可以自動存儲兩套電機參數，通過切換指令實現對兩組電機的高性能矢量控製；便於電氣傳動係統的控製，降低用戶成本。

（6）同時支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議

支持PROFIBUS-DP和MODBUS兩種通訊協議
，能實現多個變頻器和PLC之間的通訊連接。           

（7）危險速度監視、快速停車及超速保護

變頻器實時監測電機的運行速度，當電機速度大於設定的最高允許速度或速度偏差值時，變頻器發出故障報警並立即停止輸出，機械製動器動作，使起重機處於安全狀態。 

快速停車功能給用戶提供以下三種方式供選擇：

方式1：電氣製動的停車；方式2：電氣製動加機械製動的停車；方式3：機械製動的停
車。

（8）預勵磁及起動預轉矩補償

預勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，並通過調節勵磁的時間使電動機的起動與機械製動器的釋放時間相配合
，避免出現“溜鉤”現象。

（9）鬆繩檢測

防止在起重機繩索鬆弛的情況下，輕負載升速功能誤動作引發的不安全運行。              

（10）起重機操作模式——方便、靈活

根據起重機不同的操作模式，為用戶提供以下操作模式選擇：操縱杆模式、遙控模式、電動電位器模式、分級操縱杆給定模式、分級遙控給定模式


、通訊給定模式等。

3.2 應用範圍

CHV190起重機專用矢量變頻器，具有優異的力矩控製性能
，廣泛適用於岸邊集裝箱起重機（STS）、軌道式集裝箱龍門起重機(RMG)、輪胎式集裝箱龍門起重機（RTG）、門座式起重機、造船用龍門起重機
、裝船機、卸船機、翻車機、堆取料機等各類港口機械，以及各類普通橋式、門式、塔式起重機和提梁機
、架橋機等起重機械的起升
、變幅
、大車、小車
、回轉、抓鬥等機構的交流無級調速。

4   變頻器的選用

下麵就起重機的起升
、平移機構的變頻器選用原則做以詳細說明。

4.1起升機構

變頻器的容量必須大於負載所需求的輸出

，即：

k PM

P0[KVA] ≥ ————

            ηcosφ

式中k——過載係數1.33

PM——負載要求的電動機軸輸出功率，kW

η——電動機效率

cosφ——電動機的功率因數

起升機構要求的起動轉矩為1.3—1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求
，其最大轉矩需有1.6—2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對於拖動等額功率電動機的變頻器來說
，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載係數k=2/1.5=1.33。

在變頻器容量選定後
，還應做電流驗證
，即：

ICN≥kIM

式中k——電流波形修正係數（PWM調製方式時取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流
，A

IM——工頻電源時的電動機額定電流
，A

一般的大噸位起重機有兩個獨立驅動的起升機構
，每個起升機構由2台電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調速傳動方案采用一台變頻器帶一台電動機的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時的動態特性和高轉矩輸出能力，每台電動機采用帶脈衝編碼器的速度閉環控製。每個起升機構的2台變頻器之間采用CHV190變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控製功能的主從控製方案，這些控製方案可以實現2台電動機精確的轉矩平衡分配和2個起升機構的速度同步。

4.2平移機構

起重機的平移機構分大車機構和小車機構，兩種機構一般采用多台電動機傳動方案。由於起重機平移機構的轉動慣量較大
，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率PM應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由於平移機構采用一台變頻器拖動多台電動機的通用U/f開環頻率控製方式
，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：

ICN≥knIM

式中k——電流波形修正係數（PWM調製方式時取1.05—1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流
，A

IM——工頻電源時單台電動機的額定電流


，A

n——一台變頻器拖動的電動機數量

由於在變頻器“一拖多” 通用U/f開環頻率控製方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現對單台電動機的過載保護
，為此在每台電動機回路中串入帶有熱過載保護功能的低壓斷路器
，以實現對單台電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。

5   再生能量的處理

當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速

、順風運行時，異步電動機將處於再生發電狀態。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路
，並引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值後變頻器將過電壓跳閘。

在高性能的工程型變頻器中，對連續再生能量的處理有以下兩種方案。① 在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉
，這種方式稱為動力製動；
② 采用再生整流器方式，將連續再生能量送回電網，這種方式稱為回饋製動。英威騰推出的DBU型能耗製動單元和RBU型能量回饋單元的具體參數可參見說明書。

下麵對這兩種製動方式做以詳細介紹。

（1）動力製動

動力製動由製動單元和製動電阻構成。變頻器設置了製動單元和製動電阻後，其動力製動能力取決於製動電阻的允許功率。因此
，計算再生功率PM時，必須滿足PM<PR（PR為製動電阻的允許功率）。如果再生功率超過製動電阻的允許功率時，要重新考慮減速時間及負載慣量等。下麵詳細敘述設置製動電阻後，如何計算製動電阻的再生功率PM和電阻值RB。

① 計算再生能量EM

② 計算再生功率PM

PM = EM/t0

式中 PM——製動期間電機產生的有效再生功率，W

EM——機構急減速及下降時的再生能量，J

t0——製動周期時間，S

③ 選擇合適的製動單元/製動電阻組合

選擇合適的製動單元/製動電阻組合

，必須滿足下列條件：

PM<PR＆PM<PDB

式中 PM——製動期間電機產生的有效再生功率

，W

PR——製動電阻的允許功率，W

PDB——製動單元的允許功率，W

當計算的PM>PR時
，表明超出了製動電阻的處理能力
，需重新核算負載慣量和減速時間。

④ 製動電阻RB0的計算

在再生回饋製動中，即使不設置製動電阻

，依靠電機內部損耗也可獲得約20%的製動轉矩
，因此可用下式計算所需的電阻值RB0：

VC²

RB0 = ——————————

     1.027（TB-0.2TM）n1

式中VC——變頻器中間直流回路的電壓（約為700V）
，V

TB——製動轉矩，kg·m

TM——電動機額定轉矩

，kg·m

n1——電動機開始減速時的速度，rpm

動力製動的放電回路由製動單元和製動電阻構成，其最大電流受製動晶體管最大允許電流IC的限製，製動電阻最小允許值RMIN=VC/IC。因此製動電阻選用時其實際值RB應滿足以
下條件：

RMIN < RB < RB0

上述選型是建立在精確的計算基礎上，在實際工程中如果精確的計算數據不能取得，
也可按下述給出的經驗公式選型。

①起升機構的再生功率PM

PM = Pb×ηtotal

ηtotal=ηmec×ηmot×0.98

上式中，Pb為實際的負載再生發電功率，ηmec為機械效率，ηmot為電機效率。

②製動電阻RB0的近似計算

VC²

RB0 = ——

        PM

由於平移機構屬於摩擦負載，其製動單元和製動電阻可按變頻器的標準配置。

（2）回饋製動

為了實現把製動狀態的電動機再生發電能量向電網回饋，網側變流器應采用可逆變流器。英威騰推出的能量回饋製動單元，它的網側變流器與逆變器結構相同，采用一塊具有PWM控製方式的電網電壓識別板。由於采用了PWM控製技術，對網側交流電壓的大小和相位可以進行控製
，可以使交流輸入電流與電網電壓同相位並接近正弦波，傳動係統的功率數大於0.9，回饋製動時有100%電網回饋能力，而不需要自耦變壓器。

動力製動方式控製簡單、成本低

，但節能效果不如回饋製動。回饋製動方式雖然節能效果好

，能連續長時製動，但控製複雜、chengbenjiaogao。yinggaizhuyideshi，zhiyouzaibuyifashengguzhangdewendingdianwangdianyaxia
，caikeyicaiyonghuikuizhidongfangshi。duiyucaiyonghuachuxiangongdiandeqizhongji，yingtebiezhuyifangzhi滑觸線電刷接觸的間斷
，如果不能保證這一點

，建議采用動力製動方式，以保證起升機構持續下降時調速製動的可靠性。

6   CHV190起重機專用變頻器在門式起重機中的應用介紹

     

門式起重機是起重行業當中的一種典型設備，廣泛應用於室外倉庫、碼頭

、集裝箱堆場和露天貯料場等處，其主要機械機構有提升、大車、小車，三種機構均可采用變頻技術實現無級調速。其中提升機構對變頻器的要求最高，上、下行不能產生“溜鉤”現象，性能上零速時需要輸出至少150%以上的額定轉矩
；功能上需有可靠的抱閘時序控製，選用英威騰CHV190起重專用變頻器，實現對門吊的精確控製。

①提升機構

提升機構由1台（YTSP355L-8）200KW變頻電機驅動，電機調速為帶編碼器的閉環矢量控製，采用INVT公司起重專用機器CHV190-250G-4；屬有檔位無級調速方式
，內設S曲線加減速模式，保證重物提升過程中的穩定性。

    ②大
、小車運行機構

大車運行機構有６台（YTSP160M-6）７．５ＫＷ變頻電機驅動，６台電機由一台變頻器閉環矢量控製；小車運行機構由２台（YTSP180-4）２２ＫＷ變頻電機驅動
，２台電機由一台變頻器閉環矢量控製；大小車運行機構屬於位移性負載，方案中大
、小車兩組電機共用一台變頻器通過切換分別控製
，其中一組電機需要控製運行時，變頻器接收到轉換信號後自動切換到相應電機組參數。

6.1  係統優點

（1）可靠的抱閘邏輯控製且抱閘時間可調，在保證不溜鉤的同時，也避免了電機的大衝擊電流。

（2）高性能的閉環矢量控製
，在零速時可輸出180%的額定轉矩長達10S，增加了係可靠性。

（3）提升機構采用輕負載升速（電子副鉤）功能
，重載時0-50HZ之間運行，空鉤可實現100HZ高速運行，以提高工作效率；

（4）多段速或模擬量調速，加、減速過程均按照S曲線模式，增加了工作的穩定性
，減小了機械衝擊，延長設備使用壽命。

（5）多電機並聯後，變頻器自學習參數辨識，建立有效的控製數學模型
，實現停車準確到位。

（6）單台變頻器切換控製2組電機，自學習後並存儲兩組電機參數，均可實現閉環矢量控製
，降低了係統成本，提高了市場的競爭力。

（7）可調轉矩補償，實現精確控製。

6.2  係統框圖

：

 

6.3   變頻器的現場調試 

6.3.1  提升變頻器的調試過程

(1) 電機參數辨識

辨識電機參數在電機軸與負載脫開的情況下進行
，首先設定電機參數P2.00-P2.0５和編碼器參數P4.00-P4.01,然後設定 P0.07為1進行電機參數自學習
，見下表：

功能碼	設定值	參數詳細說明	功能碼	設定值	參數詳細說明
P0.01	0	0：鍵盤指令通道	P2.03	743	電機額定轉速
P0.02	0	0：鍵盤設定	P2.04	380	電機額定電壓
P2.01	200	電機額定功率	P2.05	385	電機額定電流
P2.02	50	電機額定頻率	P4.01	1024	編碼器脈衝數

自學習完成後，設定速度由低到高空載閉環矢量運行
，觀察空載電流及電機運轉
，確保正常。

(2) 其它參數的設定

P0組 基本功能組、P1組 速度曲線組、P5組 輸入端子組
、P6組 輸出端子組等參數可根據實際需要設定；

(3)抱閘時序控製測試

通過修改P8組 增強功能組中的抱閘合閘、鬆閘延時參數，調試抱閘時序控製情況。

(4) 帶負載閉環矢量運行及驗證輕負載升速（電子副鉤）功能

觀察抱閘時序控製正常後再安裝好主軸聯動機構，設定速度由低速到高速的步驟運行。帶負載調試時，堅持由低負載到高負載的步驟調試，同時注意觀察變頻器運行電流及電機運轉狀態。通過修改P8組增強功能組中的輕負載升速使能參數，驗證吊重物時0-50HZ之間運行，空鉤時0-100HZ之間運行。

6.3.2  大
、小車調試過程

大、小車共用一台變頻器控製
，其中大車由六台7.5KW電機組成，在其中一台電機上安裝好編碼器；小車由兩台22KW電機組成，也在其中一台電機安裝好編碼器。 

6.3.3  參數切換控製的說明

a：P5.05設定為“電機切換（MEX）”，說明當S4 端子為off時，選擇第1組電機；S4端子為on時
，選擇第2組電機
；

b: P6.01設定為“電機切換輸出”,說明選擇Y1輸出，當變頻器接收“電機切換
（MEX）”輸入信號後，在100ms內完成電機切換，並輸出“電機切換輸出”信號到該輸出端子
；

6.3.4 參數自學習

在脫離電機軸與負載的情況下
，分別學習好兩組電機的參數。現在通過手動控製
，使變頻器分別拖動大
、小車兩組電機，大車電機將6個電機作為一個整體控製對象來看，時設定的電機參數中電流與功率為6個電機之和。同理小車亦采用同樣方法處理，如下表：

(1)小車設定的參數 

功能碼	設定值	參數詳細說明	功能碼	設定值	參數詳細說明
P0.01	0	0：鍵盤指令通道	P2.03	1473	電機額定轉速
P0.02	0	0：鍵盤設定	P2.04	380	電機額定電壓
P2.01	44	電機額定功率	P2.05	84	電機額定電流
P2.02	50	電機額定頻率	P4.01	1024	編碼器脈衝數

(2)大車設定的參數

功能碼	設定值	參數詳細說明	功能碼	設定值	參數詳細說明
PA.03	45	電機基速功率1	PA.06	380	電機基速電壓1
PA.04	50	電機基速頻率1	PA.07	108	電機基速電流1
PA.05	974	電機基速轉速1	PA.22	1024	編碼器脈衝數

(3)其它參數的設定

P0組 基本功能組、P1組 速度曲線組、P5組 輸入端子組、P6組 輸出端子組等參數可根據實際需要設定。

6.4   大小車運行

抱閘時序控製調試以及帶負載調試可以參照提升主機的方法進行。由操作台控製大小車切換動作，變頻器自動切換兩組參數拖動兩組電機分別閉環運行。

7 結束語

隨著電力電子技術的不斷發展完善，交流變頻調速技術日益顯現出優異的控製及調速性能，高效率
、易維護等特點
，加之它的價格不斷下降
，使其成為起重機械一種優選的調速方案。但是，要使變頻器成功地應用於起重機調速，就必須針對起重機的特點，計算和選擇變頻器及其外圍的輔件，並在安裝與布線時采取特殊技術措施
，以保證變頻調速的起重機安全、可靠地運行。

起重機行業對變頻器的性能
、功能有著非常高的要求
，英威騰公司通過深入的市場調研

，開發出CHV190起重機專用變頻器係列產品，通過不同用戶現場實際運行，取得了良好的效果，並為自主品牌的變頻器在高端行業應用開創了先例。