《起重机设计规范》

起重机设计规范,电气部分,主要内容,一、电源与供电 二、电气保护 三、控制系统 四、电机选择 附录P：电机初选 附录R：电机过载校验 附录S：电机发热校验 五、装置及电阻器选择,一、电源与供电,对电网电压波动范围按GB5226.2中4.3.2交流电源的电压波动范围规定为：在正常工作条件下，供电系统，在起重机械馈电线接入处的电压波动不应超过额定值的10%的要求，但FEM标准中规定为5%，建议在应用中尽可能要求用户的供电电源符合5%的国际通用要求。,对供给起重机的电源要求采用3+PE的供电系统，强调了要提供接地线，轨道将不得作为接地保护回路。原GB/T3811规定可以无PE线，轨道接地可作为起重机接地回路；因为当接地电流流经轴承和滚轮时，由于接地电阻较大，会提高起重机结构对地电位，从而影响人身安全。同时，对地电流经过轴承时也会对轴承造成一定的损坏，考虑上述因素并参考FEM标准，故本次修订时，要求供电电源提供PE线。,二、电气保护,超速保护整定值取决于控制系统在下降最高速度时系统的控制状态，若系统为速度闭环控制，其静态速度精度较高，超速保护整定倍数可为1.25（也可达1.1，视系统而定），若系统处于开环状态，其速度精度较差，通常超速整定倍数约为下降额定速度的1.4倍。 接地保护在本规范中规定了车轮、滚轮、铰接等均不能作为接地导体，必须设专门的接地线，以提供接地电流通路，且建议整车设专用接地线至所有用电设备。,线路保护与分支线路配电主要包括两重含义： a）分支线路应设置断路器保护，以避免分支线路出现短路时事故上扩及不能及时分断故障回路。 b）除我们通常概念上对用电设备进行保护外，对长距离电缆也要进行保护，断路器应在其下方任一回路发生短路或接地时能够自动分断。,起重机构电动机应设置定子异常失电保护功能，当调速装置或正反向接触器故障导致电动机失控时，制动器应立即抱闸 。为确保制动器抱闸，制动接触器辅助触点应反馈至控制系统，确认制动接触器可靠分断，否则断开总接触器。,三、控制系统,电气控制部分在修订时，其内容包括了原GB3811-1983，FEM相关部分的内容，同时增加了变频调速和调压调速的说明。(对吊钩起重机，当起升机构的工作级别为M4、M5和M6，且额定起升速度5m/min时要求制动平稳，应采用电气制动方法，保证在0.21.0G范围内下降时,制动前的电动机转速降至同步转速的1/3以下,该速度应能稳定运行.),调压调速系统：,系统特点： 1）低速区域（通常n50%ne）为速度闭环控制， 高速区域为开环控制；下放高速档为超同步运 行，实现回馈制动。 2）若采用编码器作为速度反馈信号，可实现低速 区域的静态高精度速度控制，但由于调压调速 系统动态特性曲线太软，即：动态速降大，所 以调压调速系统较适用于起升机构，而不太适 合用于运行机构。,3）调压调速系统在任何速度上的允许运行时间相对于电阻器的发热时间常数来讲，均为长期。故电阻元件的接电持续率应按100%选用。但由于上升和下降时，机械传动效率相反，电动机的工作电流不等，所以电阻元件在JC=100%下的电流值为： I上= IN； I下= IN2。,变频调速系统,系统特点： 1）变频调速系统可实现额定频率以下恒转矩调速及 额定频率以上恒功率调速，弱磁升速范围取决于 电机允许的最高运行转速及在最高转速下输出的 转矩能否满足负载的加速要求。 2）动态特性较硬，即：动态速降小，因此适用于起 升及运行机构。运行采用变频调速较采用调压调 速系统其速度稳定性更好。 3）变频调速采用开环还是闭环控制，对于在起重机 上的应用来讲最大的差别在于闭环控制起动转矩 更大，低速运行更平稳，调速范围更宽。 一般起升采用闭环控制，运行采用开环控制。,对于有机械偶合的多电机传动（如大容量起升机构采用大减速机方案由两台电动机拖动，大车运行机构前后两组电动机通过车轮和轨道的偶合），当采用两套驱动装置并分别构成闭环控制时，两套驱动装置之间应设置负荷均衡控制功能，在起重机上，通常可采用如下两种负荷均衡方式： 主装置为速度闭环控制、从装置为转矩控制的主从控制方式 采用下垂软化特性功能、两台装置相对独立的负荷均衡方式,对于两台（或两组）电动机有同步要求时，可根据应用情况采用下列同步控制方式： 速度闭环控制、同步赋予相同的速度给定值、绝 对位置点标定与校正。 速度闭环控制、同步赋予相同的速度给定值、采用绝对式编码器实时位置检测校正、绝对位置点标定。 当起升机构采用星行传动时，两台电机应采用顺序启动方式即：050%速度范围由一台电机运行，50%100%另一台电机启动，两台电机同时运行。 回转机构采用变频控制方式时，由于负载惯性大且通常工作在起、制动状态，为起、制动平稳，减少机械冲击，变频系统应采用转矩控制方式。,四、电机选择,在进行电动机容量选择时，必须对电动机的过载和发热能力进行计算与校验。所选电动机应同时满足过载和发热的功率计算值。以二者计算值的较大值为准，作为选择电动机的计算依据。在考虑工作环境条件等影响因素后，最终选取电动机。具体方法见附录P电动机的初选、附录R电动机的过载校验和附录S电动机的发热校验。,附录P：电机初选,起升电动机初选： 1).计算稳态起升功率：PN=PQVq/1000/ 2).计算S3、JC=40%基准工作制下所需的电动机功率：PnK PN 式中：K作业频繁系数，与机构工作级别对 应，见表1； PnS3、JC=40%下电动机额定功率。,表1 作业频繁系数,3）电动机在不同工作制下功率值的折算 将S1工作制下的电动机功率值折算到 S3 JC =40%或S3 JC =60%下的电动机功率值可 参考下式折算： P401.151.2 PS1 P601.051.1 PS1 对于不同的电动机，其折算系数略有不同，若需 知道准确折算值，需向制造商索取,起升电机初选举例 例1：某起升机构额定起重量100 t、吊具重5 t、额定起升速度6m/min、电动机额定转速730r/min、变频调速方式、供电电压380VAC、机构工作级别M7、机构总效率=0.87、环境温度40、海拔低于1000m。 1）稳态计算功率: PN=PQVq/1000/=(100+5)6/6.12/0.87=118.3kw 2）电动机基准工作制下的功率值： 1.2118.3=142kw（S3 JC=40%）,3）电动机初选： 根据用户要求采用西门子变频电动机,折算到S1工作制下的功率为： PS1P40/1.2=142/1.2=118.3（kw） 选取：1LG43188AB 132 kw S1,运行机构电动机初选 1）计算稳态运行功率： PN=PJVY/1000/m 2）计算S3 JC=40%基准工作制下所需的电动机的 功率值：PnK PN 式中：K综合运行速度所体现的作业频繁 程度和惯性功率对发热影响的综合因素系数， 见表2。,表2综合因素系数（仅对室内轨道式运行机构）,运行机构稳态运行功率（静阻功率）与总质 量（M）、速度、摩擦系数等有关，惯性功率与 总质量、速度、加速度（加速时间）有关，通常 速度取值也是基于作业频繁程度（工作级别）， 那么可以通过给稳态运行功率乘以大于1的综合因 素系数K，以体现惯性功率与作业频繁率对电动机 发热的影响，该系数也是经过了实践验证的。,运行机构电动机初选举例 例1：桥式起重机小车运行机构自重200t、额定起重量550t、额定运行速度30m/min、机构工作级别M6、m=4台、总效率=0.9、电动机额定转速975r/min、Kh=1、Kt=1。 1）计算稳态运行功率（静阻功率）： PN=PjVy/1000/m =(101.5)(200+550)30/6120/0.9/4=15.3KW PnKPN=1.215.3=18.36KW (S3 JC40%) 2）初选电动机： 4台，型号：YZP200L-6 22 kw S3 JC=40%,附录R：电机过载校验,以变频电动机为例进行过载校验说明。 当机构设计完成电动机初选后，电气设计应对电动机进行过载和发热校验。电动机过载校验的准则是：所选电动机的最大加速（起动）转矩应不小于机构加速所需的最小加速转矩。当机构有部分（单个或单组）电动机运行或其他特殊工况要求时，一定要计算在这些特殊工况要求下所需的电动机的最小加速转矩值。,当采用变频闭环矢量（或DTC）控制时，基速内可实现恒转矩控制。系统可做到以最大恒定转矩加速，而调压调速或其它针对绕线电动机的控制系统，其加速过程是延锯齿特性线进行的，所以过载校验时，要注意锯齿线根部对加速最大负载时的影响关系。 为了保证电动机的安全运行，电动机的最大运行（起动）转矩与颠覆转矩之间应保留30%的安全距离，即： Mmax/ m/Mn1/1.3或Mmax0.8m Mn,对于变频闭环矢量（或DTC）控制的电动机，可以不考虑电压波动对电动机最大起动转矩的影响。 对于工作级别（M）较低的机构，由于初选时的系数K取值较小，所以要更加注意做好过载校验,起升机构电动机过载校验 在电动机初选时（见6.1.1.1.3.2）对变频电动机n=0时的最小起动转矩的要求是： Mdmin1.4MN（86） 但在实际应用中考虑到110%动载试验和125%静载试验对起动转矩的要求，通常情况下，选择Md=1.7MN，对于公式： PnH/m/mPQVq/1000/.（87） 变频电动机取H=2.2，其取值依据如下：,当所选电动机额定功率Pn=PN时，H的物理意义是：只要所选电动机的最大转矩倍数mH，则过载校验通过，或者说，在Pn=PN时，H的取值是对所选电动机转矩倍数的最小要求值。因为，所选电动机的m=2.2时，考虑最大运行转矩与颠覆转矩间留30%的安全距离，该电动机能够输出最大起动转矩为： Mmax=mMN/1.3=2.2MN/1.31.7MN 这就是H=2.2的来源。 从过载校验公式（87）可以看出，仅从过载能力要求来讲，所选电动机额定功率值与其最大转矩过载倍数是可以相互转化的。,起升机构电动机过载校验举例 例1：对起升机构电动机初选中的例1进行过载校验。 已知：额定起重量105t，额定起升速度6m/min， =0.87，m=1台，电动机：1LG43188AB 132kw S1 m=2.9。 按过载校验公式计算： PnH/m/mPQVq/1000/ =2.2/2.91056/6.12/0.87=90KW 所选电动机Pn=132kw 90kw 过载校验通过。,例2：本例1中起重机正常工作时起重量为105t、工作级别为M7、若还有一种特殊工况，要求在工厂设备安装或检修时偶尔要吊装170t载荷，则过载校验计算为： PnH/m/mPQVq/1000/ =2.2/2.91756/6.12/0.87=149.6KW 由于170t载荷为偶尔吊装，根据机构设计计算原则 中6.1.1.1.3.2 起升机构电动机产生转距的最低要求，对于变频控制的电动机： Md1.4MN 对于特殊情况，电动机可以1.4MN的平均加速转距加速，此时最小H取值为，H=1.82，取H=1.9，则特殊情况下，过载校验计算可为：,PnH/m/mPQVq/1000/ =1.9/2.91756/6.12/0.87=129.2KW 经进一步验证，所选电动机 Pn=132KW129.2KW ，过载校验通过。 设计时还应注意，当起吊170t负荷时，稳态起升功 率为： Pn=PQVq/1000/=1756/6.12/0.87=197KW 电动机的最小起动转距倍数为： Mdq/Mn=1971.4/132=2.1倍,电动机最大转距倍数为： m=2.9，2.9/2.1=1.381.3（安全裕度满足） 当起吊170t负荷时，电动机起动转距为2.1Mn。最大工作电流按相关公式计算。变频器应能够提供相应的最大工作电流，且应采用速度闭环控制以确保起动转矩。,例3：本例1中起重机正常工作时起重量为105t、工作级别为M7、若还有轻载高速工况，要求在工厂设备安装或检修时吊装40t以下载荷时，速度由6m/min升为12m/min，则过载校验计算为：,1）重载低速工况下的过载校验同例1 2）轻载高速工况下的过载校验： a)电机最大运行转速为2730r/min=1460r/min 1LG4318-8AB电机最大允许转速为2500r/min 最大运行转速校验通过 b)最大速度点过载校验 PN=4512/6.12/0.87=101.4KW MN/Mn=(101.4/12)/(132/6)=0.38 0.381.441.3=2.772.9(m) 高速点过载校验通过,轨道运行式运行机构电动机过载校验 轨道式运行机构电动机过载校验中变频调速电动机AS的确定，在GB/T 3811-1983起重机设计规范中，运行机构电动机过载校验引入AS概念，不同种类的电动机具有不同的AS值，那么它的基础是认定不同种类的电动机一定可以产生AS的平均加速转矩，而没有给出电动机的m至少应是多大。比如：绕线电动机的AS取1.7，实际上是认为绕线电动机的最大起动转矩约为2.2Med时，平均加速转矩可达1.7Med，这样电动机的m应不小于2.5；对于变频调速电动机，通常情况下能达到,1.7Med倍的加速转矩，这样变频电机的最大过载倍数m应不小于1.7/0.8=2.2，式中0.8含义同上。 电动机的过载校验公式： PN1/m/ASP(+ma)+PWVy/1000/+ Jn2/91200/tq .（88） 从公式（88）可以看出：阻性功率P阻与惯性功率 P惯之和除以电动机所能提供的平均加速转矩AS，所选电动机功率值不小于该值，则过载校验通过。进行运行机构过载校验时，惯性功率的大小与设计所要求的加速时间有关，所以应合理选择加速时间，以选取合理的电动机功率。,轨道运行式运行机构电动机过载校验举例 例1：对运行机构初选应用举例1进行过载校验。 已知：桥机小车运行机构自重200t、额定起重量550t、额定运行速度30m/min、机械转动效率 =0.9、加速度a=0.126m/s2、加速时间ta=4s; 电动机YZP200L-6 22kw、m=4台、m=2.8， 取AS=1.7（对于m=2.8 ，可取至AS=2.1）。 运行机构电动机过载校验计算： PN1/m/ASP(+ma)+PWVy/1000/ +Jn2/91200/tq,将上式换算成工程单位计算，且PW=0， ma与综合取值： PN1/m/AS(Gn+G)(g+1.2a)Vy/60/ =1/4/1.7(550+200)(9.860.0085+1.20.126) /60/0.9=14.4KW Pn=22kw PN=14.4KW，过载校验通过,附录S：电动机的发热校验,对于YZR电动机仍可采用JC、CZ和G值进行发热校验。但对于变频电机和绕线电机均可依据机构工作级别所对应的等效接电持续率作为发热校验的依据。只要电机在机构相应等效接电持续率下的功率值大于机构的计算功率，则发热校验通过。,表3 工作级别与接电持续率的对应取值关系 电动机在不同工作制下功率折算值见释义附录P中的给出值。,起升机构电动机发热校验 起升机构计算功率即为稳态运行功率（静功率）： PN=PQVq/1000/（89） 所选电动机在相应接电持续率下的功率值不小于计 算功率即PnPN，则发热校验通过。 由于起升机构要求进行110%动负荷和125%静负荷试验，在此，给出工作级别与接电持续率的对应取值关系，见表3，以供参考。,起升机构电动机发热校验举例 例1：对起升机构电动机初选中的应用举例1进行发热校验。 已知：额定起重量100t、吊具重5t、额定起升速度6m/min、=0.87、工作级别M7、海拔低于1000m 、环境温度40、 电动机：1LG4318-8AB 132kw S1。 电动机静功率计算： PN=PQVq/1000/=(100+5)6/6.12/0.87=118.3kw,机构工作级别为M7、它所对应的电动机工作制为S3 JC=60% 所选电动机在S3 JC=60%下的功率 P60132kw1.05 138kw118.3kw，发热校验通过。 说明：电动机容量选择宜大点，这样会提高电动机寿命、可靠性高，降低运行成本要比降低初投资更重要。,轨道式运行机构电动机发热校验 运行机构电动机初选时是根据运行速度大小给稳态运行功率（阻性功率）乘以一个大于1的系数得出，且系数为离散值，为了更好更方便地对运行机构进行发热校验，经计算对比，当采用公式（90）计算时，所选电动机功率值相对合适。本方法作为校验方法，可在设计过程中进一步比照对比。 运行机构计算功率为： PS=P阻+0.5P惯 -（90） 式中：PS-计算功率 P阻-阻性功率即稳态运行功率PN P惯-惯性功率即本标准公式（S.10),PS=1/mP(+ma)+PWVy/1000/ +Jn2/182400/tq中的第二项 只要电机在机构相应接电持续率下的功率值PnPS，则发热校验通过。 该方式使离散系数成为连续，使电动机的选择与校验用不同的方法相互验证。 由于P惯仍取决于加速时间ta或者说加速度a的选择，所以应参照电动机初选中所给出的速度与加速时间关系表选择加速时间，以计算合理的惯性功率。,轨道式运行机构电动机发热校验举例 例1：对运行机构电动机初选中的应用举例1进行发热校验。已知：小车自重G=200t、额定起重量Gn=550t、额定运行速度30m/min、传动效率=0.9、加速时间ta=4s、加速度a=0.126m/s2、 工作级别M6、 电动机：YZP200L-6 22kw S3 JC=40%、 m=4台。,运行机构电动机发热计算功率： PS=1/m(P阻+0.5P惯) =1/mP(+ma)+PWVy/1000/ +Jn2/182400/tq =1/4(Gn+G)(g+1/21.2a)Vy/60/ =(550+200)(9.860.0085+0.60.126)30/4/ 60/0.9=17.55kw 工作级别M6，对应电动机工作制为S3 JC=40%，所选电动机YZP200L-6在S3 JC=40%下的功率Pn=22kw17.55kw，发热校验通过。,五、装置及电阻器选择,变频调速装置选择时，一定要核算该装置在起重设备应用工况下的最大输出电流应不小于所驱动电动机的最大工作电流，其额定电流应不小于额定负载时电动机的工作电流，通常情况下，装置的额定电流是能满足发热验算要求的。 电动机最大工作电流的计算： 对于变频闭环矢量（或DTC）控制的电动机，在不同输出转矩下电动机的电流值可按下列公式计算：,（1）无功电流 I0=(In-Incos)1/2 （2）有功电流 Iw= (In2-I02)1/2 （3）基本负载电流 IM=I02+(M/Mn Iw)21/2 （4）最大起动电流 Imax=I02+(Mmax/Mn Iw)21/2 （Mmax应不大于0.8m Mn） 式中：In-电动机额定电流； Mn-电动机额定转矩； cos-电动机额定功率因素； M-基本负载转矩； Mmax-最大起动转矩。,采用整流回馈公用直流母线多传动方式时，整流回馈单元电流应考虑可能同时工作的几个机构所产生的最大工作电流及额定工作电流，其电流计算方法请参考正文7.8.4.3起重机的额定工作电流与7.8.4.4起重机最大工作电流。 采用制动单元方式时，制动单元的最大制动功率应大于电机的峰值制动功率，对于起升机构还应校核制动单元的长期制动功率，其值应大于下降时的额定回馈功率。,变频调速采用制动单元时，制动电阻器的阻值应不小于制动单元限定的最小阻值（见制动单元样本）,且要满足在加减速时间内所需的最大功率值，电阻器接电持续率及功率值与机构有关。 a）起升机构制动电阻器在JC=100%下的功率值应 不小于下降时的额定回馈功率，即约为： PN2； 起升制动电阻器最大制动功率VD2/R应不小于峰值制动功率，约为：2PN,b）运行机构制动电阻器的阻值通常可按制动单元样本提供的最小阻值取值，电阻器最大功率VD2/R应大于电动机最大制动功率 Pmax， Pmax =Mdq ne /9550。 电阻器的功率值应为: 1/4*Pg* (Mdq2-MZ2)/(Mdq2+MZ2)，该功率值下的相应JC值同电机JC值。当电阻容量不大时，可忽略(Mdq2-MZ2)/(Mdq2+MZ2)按1/4*Pg取值。 其中：Pg =Pn-Pz , Pg为等效发热惯性功率 Pn为电机额定功率 Pz为阻性功率,图中阴影部分为1个周期内制动功率； 右图是基于电动机起制动期间均以最大启动转矩工作，所以制动时间较启动时间更短。,c） 当已知电阻器阻值R，功率P，直流母线电压VDC后，电阻元件在相应JC值下的电流值应不小于：I2=P/R,起重机起升、大小车运行机构制动行程计算,对于起升机构： 1、S=V/100 其中V为起升机构平稳下降或上升速度（M/MIN） 一般下降制动行程控制在50-100mm为宜。 2、大车制动行程： Smin=V*V/5000 Smax=8V/120 其中V为大车机构平稳运行速度（M/MIN）。 3、大车制动行程： Smin=V*V/5000 Smax=6V/120 其中V为小车机构平稳运行速度（M/MIN）。,