《起重機設計規(guī)范》

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1、起重機設計規(guī)范,電氣部分,主要內(nèi)容,一、電源與供電 二、電氣保護 三、控制系統(tǒng) 四、電機選擇 附錄P：電機初選 附錄R：電機過載校驗 附錄S：電機發(fā)熱校驗 五、裝置及電阻器選擇,一、電源與供電,對電網(wǎng)電壓波動范圍按GB5226.2中4.3.2交流電源的電壓波動范圍規(guī)定為：在正常工作條件下，供電系統(tǒng)，在起重機械饋電線接入處的電壓波動不應超過額定值的10%的要求，但FEM標準中規(guī)定為5%，建議在應用中盡可能要求用戶的供電電源符合5%的國際通用要求。,,對供給起重機的電源要求采用3+PE的供電系統(tǒng)，強調(diào)了要提供接地線，軌道將不得作為接地保護回路。原GB/T3811規(guī)定可以無PE線，軌道接地可作為起重

2、機接地回路；因為當接地電流流經(jīng)軸承和滾輪時，由于接地電阻較大，會提高起重機結構對地電位，從而影響人身安全。同時，對地電流經(jīng)過軸承時也會對軸承造成一定的損壞，考慮上述因素并參考FEM標準，故本次修訂時，要求供電電源提供PE線。,二、電氣保護,超速保護整定值取決于控制系統(tǒng)在下降最高速度時系統(tǒng)的控制狀態(tài)，若系統(tǒng)為速度閉環(huán)控制，其靜態(tài)速度精度較高，超速保護整定倍數(shù)可為1.25（也可達1.1，視系統(tǒng)而定），若系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)，其速度精度較差，通常超速整定倍數(shù)約為下降額定速度的1.4倍。 接地保護在本規(guī)范中規(guī)定了車輪、滾輪、鉸接等均不能作為接地導體，必須設專門的接地線，以提供接地電流通路，且建議整車設專用

3、接地線至所有用電設備。,,線路保護與分支線路配電主要包括兩重含義： a）分支線路應設置斷路器保護，以避免分支線路出現(xiàn)短路時事故上擴及不能及時分斷故障回路。 b）除我們通常概念上對用電設備進行保護外，對長距離電纜也要進行保護，斷路器應在其下方任一回路發(fā)生短路或接地時能夠自動分斷。,,起重機構電動機應設置定子異常失電保護功能，當調(diào)速裝置或正反向接觸器故障導致電動機失控時，制動器應立即抱閘 。為確保制動器抱閘，制動接觸器輔助觸點應反饋至控制系統(tǒng)，確認制動接觸器可靠分斷，否則斷開總接觸器。,三、控制系統(tǒng),電氣控制部分在修訂時，其內(nèi)容包括了原GB3811-1983，F(xiàn)EM相關部分的內(nèi)容，同時增加了變頻調(diào)

4、速和調(diào)壓調(diào)速的說明。(對吊鉤起重機，當起升機構的工作級別為M4、M5和M6，且額定起升速度5m/min時要求制動平穩(wěn)，應采用電氣制動方法，保證在0.21.0G范圍內(nèi)下降時,制動前的電動機轉速降至同步轉速的1/3以下,該速度應能穩(wěn)定運行.),,調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)：,,系統(tǒng)特點： 1）低速區(qū)域（通常n50%ne）為速度閉環(huán)控制， 高速區(qū)域為開環(huán)控制；下放高速檔為超同步運 行，實現(xiàn)回饋制動。 2）若采用編碼器作為速度反饋信號，可實現(xiàn)低速 區(qū)域的靜態(tài)高精度速度控制，但由于調(diào)壓調(diào)速 系統(tǒng)動態(tài)特性曲線太軟，即：動態(tài)速降大，所 以調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)較適用于起升機構，而不太適 合用于運行機構。

5、,,3）調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在任何速度上的允許運行時間相對于電阻器的發(fā)熱時間常數(shù)來講，均為長期。故電阻元件的接電持續(xù)率應按100%選用。但由于上升和下降時，機械傳動效率相反，電動機的工作電流不等，所以電阻元件在JC=100%下的電流值為： I上= IN； I下= IN2。,,變頻調(diào)速系統(tǒng),,系統(tǒng)特點： 1）變頻調(diào)速系統(tǒng)可實現(xiàn)額定頻率以下恒轉矩調(diào)速及 額定頻率以上恒功率調(diào)速，弱磁升速范圍取決于 電機允許的最高運行轉速及在最高轉速下輸出的 轉矩能否滿足負載的加速要求。 2）動態(tài)特性較硬，即：動態(tài)速降小，因此適用于起 升及運行機構。運行采用變頻調(diào)速較采用調(diào)壓調(diào) 速系統(tǒng)其速度穩(wěn)定性

6、更好。 3）變頻調(diào)速采用開環(huán)還是閉環(huán)控制，對于在起重機 上的應用來講最大的差別在于閉環(huán)控制起動轉矩 更大，低速運行更平穩(wěn)，調(diào)速范圍更寬。 一般起升采用閉環(huán)控制，運行采用開環(huán)控制。,,對于有機械偶合的多電機傳動（如大容量起升機構采用大減速機方案由兩臺電動機拖動，大車運行機構前后兩組電動機通過車輪和軌道的偶合），當采用兩套驅(qū)動裝置并分別構成閉環(huán)控制時，兩套驅(qū)動裝置之間應設置負荷均衡控制功能，在起重機上，通?？刹捎萌缦聝煞N負荷均衡方式： 主裝置為速度閉環(huán)控制、從裝置為轉矩控制的主從控制方式 采用下垂軟化特性功能、兩臺裝置相對獨立的負荷均衡方式,,對于兩臺（或兩組）電動機有同步要求時，可根

7、據(jù)應用情況采用下列同步控制方式： 速度閉環(huán)控制、同步賦予相同的速度給定值、絕 對位置點標定與校正。 速度閉環(huán)控制、同步賦予相同的速度給定值、采用絕對式編碼器實時位置檢測校正、絕對位置點標定。 當起升機構采用星行傳動時，兩臺電機應采用順序啟動方式即：050%速度范圍由一臺電機運行，50%100%另一臺電機啟動，兩臺電機同時運行。 回轉機構采用變頻控制方式時，由于負載慣性大且通常工作在起、制動狀態(tài)，為起、制動平穩(wěn)，減少機械沖擊，變頻系統(tǒng)應采用轉矩控制方式。,四、電機選擇,在進行電動機容量選擇時，必須對電動機的過載和發(fā)熱能力進行計算與校驗。所選電動機應同時滿足過載和發(fā)熱的功率計算值。以二者計算值的

8、較大值為準，作為選擇電動機的計算依據(jù)。在考慮工作環(huán)境條件等影響因素后，最終選取電動機。具體方法見附錄P電動機的初選、附錄R電動機的過載校驗和附錄S電動機的發(fā)熱校驗。,附錄P：電機初選,起升電動機初選： 1).計算穩(wěn)態(tài)起升功率：PN=PQVq/1000/ 2).計算S3、JC=40%基準工作制下所需的電動機功率：PnK PN 式中：K作業(yè)頻繁系數(shù)，與機構工作級別對 應，見表1； PnS3、JC=40%下電動機額定功率。,,表1 作業(yè)頻繁系數(shù),,3）電動機在不同工作制下功率值的折算 將S1工作制下的電動機功率值折算到 S3 JC =40%或S3 JC =60%下的電

9、動機功率值可 參考下式折算： P401.151.2 PS1 P601.051.1 PS1 對于不同的電動機，其折算系數(shù)略有不同，若需 知道準確折算值，需向制造商索取,,起升電機初選舉例 例1：某起升機構額定起重量100 t、吊具重5 t、額定起升速度6m/min、電動機額定轉速730r/min、變頻調(diào)速方式、供電電壓380VAC、機構工作級別M7、機構總效率=0.87、環(huán)境溫度40、海拔低于1000m。 1）穩(wěn)態(tài)計算功率: PN=PQVq/1000/=(100+5)6/6.12/0.87=118.3kw 2）電動機基準工作制下的功率值： 1.2118.3=142kw

10、（S3 JC=40%）,,3）電動機初選： 根據(jù)用戶要求采用西門子變頻電動機,折算到S1工作制下的功率為： PS1P40/1.2=142/1.2=118.3（kw） 選?。?LG43188AB 132 kw S1,,運行機構電動機初選 1）計算穩(wěn)態(tài)運行功率： PN=PJVY/1000//m 2）計算S3 JC=40%基準工作制下所需的電動機的 功率值：PnK PN 式中：K綜合運行速度所體現(xiàn)的作業(yè)頻繁 程度和慣性功率對發(fā)熱影響的綜合因素系數(shù)， 見表2。,,表2綜合因素系數(shù)（僅對室內(nèi)軌道式運行機構）,,運行機構穩(wěn)態(tài)運行功率（靜阻功率）與總質(zhì) 量（M）、速度、摩擦系數(shù)等有

11、關，慣性功率與 總質(zhì)量、速度、加速度（加速時間）有關，通常 速度取值也是基于作業(yè)頻繁程度（工作級別）， 那么可以通過給穩(wěn)態(tài)運行功率乘以大于1的綜合因 素系數(shù)K，以體現(xiàn)慣性功率與作業(yè)頻繁率對電動機 發(fā)熱的影響，該系數(shù)也是經(jīng)過了實踐驗證的。,,運行機構電動機初選舉例 例1：橋式起重機小車運行機構自重200t、額定起重量550t、額定運行速度30m/min、機構工作級別M6、m=4臺、總效率=0.9、電動機額定轉速975r/min、Kh=1、Kt=1。 1）計算穩(wěn)態(tài)運行功率（靜阻功率）： PN=PjVy/1000//m =(101.5)(200+550)30/6120/0.9/4=1

12、5.3KW PnKPN=1.215.3=18.36KW (S3 JC40%) 2）初選電動機： 4臺，型號：YZP200L-6 22 kw S3 JC=40%,附錄R：電機過載校驗,以變頻電動機為例進行過載校驗說明。 當機構設計完成電動機初選后，電氣設計應對電動機進行過載和發(fā)熱校驗。電動機過載校驗的準則是：所選電動機的最大加速（起動）轉矩應不小于機構加速所需的最小加速轉矩。當機構有部分（單個或單組）電動機運行或其他特殊工況要求時，一定要計算在這些特殊工況要求下所需的電動機的最小加速轉矩值。,,當采用變頻閉環(huán)矢量（或DTC）控制時，基速內(nèi)可實現(xiàn)恒轉矩控制。系統(tǒng)可做到以最大恒定轉矩加速，而

13、調(diào)壓調(diào)速或其它針對繞線電動機的控制系統(tǒng)，其加速過程是延鋸齒特性線進行的，所以過載校驗時，要注意鋸齒線根部對加速最大負載時的影響關系。 為了保證電動機的安全運行，電動機的最大運行（起動）轉矩與顛覆轉矩之間應保留30%的安全距離，即： Mmax/ m/Mn1/1.3或Mmax0.8m Mn,,對于變頻閉環(huán)矢量（或DTC）控制的電動機，可以不考慮電壓波動對電動機最大起動轉矩的影響。 對于工作級別（M）較低的機構，由于初選時的系數(shù)K取值較小，所以要更加注意做好過載校驗,,起升機構電動機過載校驗 在電動機初選時（見6.1.1.1.3.2）對變頻電動機n=0時的最小起動轉矩的要求是： Mdmin1

14、.4MN（86） 但在實際應用中考慮到110%動載試驗和125%靜載試驗對起動轉矩的要求，通常情況下，選擇Md=1.7MN，對于公式： PnH/m/mPQVq/1000/..（87） 變頻電動機取H=2.2，其取值依據(jù)如下：,,,當所選電動機額定功率Pn=PN時，H的物理意義是：只要所選電動機的最大轉矩倍數(shù)mH，則過載校驗通過，或者說，在Pn=PN時，H的取值是對所選電動機轉矩倍數(shù)的最小要求值。因為，所選電動機的m=2.2時，考慮最大運行轉矩與顛覆轉矩間留30%的安全距離，該電動機能夠輸出最大起動轉矩為： Mmax=mMN/1.3=2.2MN/1.31.7MN 這就是H=2.2的

15、來源。 從過載校驗公式（87）可以看出，僅從過載能力要求來講，所選電動機額定功率值與其最大轉矩過載倍數(shù)是可以相互轉化的。,,起升機構電動機過載校驗舉例 例1：對起升機構電動機初選中的例1進行過載校驗。 已知：額定起重量105t，額定起升速度6m/min， =0.87，m=1臺，電動機：1LG43188AB 132kw S1 m=2.9。 按過載校驗公式計算： PnH/m/mPQVq/1000/ =2.2/2.91056/6.12/0.87=90KW 所選電動機Pn=132kw 90kw 過載校驗通過。,,例2：本例1中起重機正常工作時起重量為105t、工作級別為M7、若還有一種特

16、殊工況，要求在工廠設備安裝或檢修時偶爾要吊裝170t載荷，則過載校驗計算為： PnH/m/mPQVq/1000/ =2.2/2.91756/6.12/0.87=149.6KW 由于170t載荷為偶爾吊裝，根據(jù)機構設計計算原則 中6.1.1.1.3.2 起升機構電動機產(chǎn)生轉距的最低要求，對于變頻控制的電動機： Md1.4MN 對于特殊情況，電動機可以1.4MN的平均加速轉距加速，此時最小H取值為，H=1.82，取H=1.9，則特殊情況下，過載校驗計算可為：,,PnH/m/mPQVq/1000/ =1.9/2.91756/6.12/0.87=129.2KW 經(jīng)進一步驗證，所選電動

17、機 Pn=132KW129.2KW ，過載校驗通過。 設計時還應注意，當起吊170t負荷時，穩(wěn)態(tài)起升功 率為： Pn=PQVq/1000/=1756/6.12/0.87=197KW 電動機的最小起動轉距倍數(shù)為： Mdq/Mn=1971.4/132=2.1倍,,電動機最大轉距倍數(shù)為： m=2.9，2.9/2.1=1.381.3（安全裕度滿足） 當起吊170t負荷時，電動機起動轉距為2.1Mn。最大工作電流按相關公式計算。變頻器應能夠提供相應的最大工作電流，且應采用速度閉環(huán)控制以確保起動轉矩。,,例3：本例1中起重機正常工作時起重量為105t、工作級別為M7、若還有輕載高速工況

18、，要求在工廠設備安裝或檢修時吊裝40t以下載荷時，速度由6m/min升為12m/min，則過載校驗計算為：,,1）重載低速工況下的過載校驗同例1 2）輕載高速工況下的過載校驗： a)電機最大運行轉速為2730r/min=1460r/min 1LG4318-8AB電機最大允許轉速為2500r/min 最大運行轉速校驗通過 b)最大速度點過載校驗 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) 高速點過載校驗通過,,軌道運行式運行機構電動機過載校驗 軌道

19、式運行機構電動機過載校驗中變頻調(diào)速電動機AS的確定，在GB/T 3811-1983起重機設計規(guī)范中，運行機構電動機過載校驗引入AS概念，不同種類的電動機具有不同的AS值，那么它的基礎是認定不同種類的電動機一定可以產(chǎn)生AS的平均加速轉矩，而沒有給出電動機的m至少應是多大。比如：繞線電動機的AS取1.7，實際上是認為繞線電動機的最大起動轉矩約為2.2Med時，平均加速轉矩可達1.7Med，這樣電動機的m應不小于2.5；對于變頻調(diào)速電動機，通常情況下能達到,,1.7Med倍的加速轉矩，這樣變頻電機的最大過載倍數(shù)m應不小于1.7/0.8=2.2，式中0.8含義同上。 電動機的過載校驗公式： PN1/

20、m/ASP(+ma)+PWVy/1000/+ Jn2/91200/tq ............................（88） 從公式（88）可以看出：阻性功率P阻與慣性功率 P慣之和除以電動機所能提供的平均加速轉矩AS，所選電動機功率值不小于該值，則過載校驗通過。進行運行機構過載校驗時，慣性功率的大小與設計所要求的加速時間有關，所以應合理選擇加速時間，以選取合理的電動機功率。,,軌道運行式運行機構電動機過載校驗舉例 例1：對運行機構初選應用舉例1進行過載校驗。 已知：橋機小車運行機構自重200t、額定起重量550t、額定運行速度30m/min、機械轉動效率 =0.9、加

21、速度a=0.126m/s2、加速時間ta=4s; 電動機YZP200L-6 22kw、m=4臺、m=2.8， 取AS=1.7（對于m=2.8 ，可取至AS=2.1）。 運行機構電動機過載校驗計算： PN1/m/ASP(+ma)+PWVy/1000/ +Jn2/91200/tq,,將上式換算成工程單位計算，且PW=0， ma與綜合取值： 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，過載校驗通過,附錄S：電動機的發(fā)熱校驗,對于Y

22、ZR電動機仍可采用JC、CZ和G值進行發(fā)熱校驗。但對于變頻電機和繞線電機均可依據(jù)機構工作級別所對應的等效接電持續(xù)率作為發(fā)熱校驗的依據(jù)。只要電機在機構相應等效接電持續(xù)率下的功率值大于機構的計算功率，則發(fā)熱校驗通過。,,表3 工作級別與接電持續(xù)率的對應取值關系 電動機在不同工作制下功率折算值見釋義附錄P中的給出值。,,起升機構電動機發(fā)熱校驗 起升機構計算功率即為穩(wěn)態(tài)運行功率（靜功率）： PN=PQVq/1000/（89） 所選電動機在相應接電持續(xù)率下的功率值不小于計 算功率即PnPN，則發(fā)熱校驗通過。 由于起升機構要求進行110%動負荷和125%靜負荷試驗，在此，給出工作級別與接電持續(xù)

23、率的對應取值關系，見表3，以供參考。,,起升機構電動機發(fā)熱校驗舉例 例1：對起升機構電動機初選中的應用舉例1進行發(fā)熱校驗。 已知：額定起重量100t、吊具重5t、額定起升速度6m/min、=0.87、工作級別M7、海拔低于1000m 、環(huán)境溫度40、 電動機：1LG4318-8AB 132kw S1。 電動機靜功率計算： PN=PQVq/1000/=(100+5)6/6.12/0.87=118.3kw,,機構工作級別為M7、它所對應的電動機工作制為S3 JC=60% 所選電動機在S3 JC=60%下的功率 P60132kw1.05 138kw118.3kw，發(fā)熱校驗通過。 說明：電

24、動機容量選擇宜大點，這樣會提高電動機壽命、可靠性高，降低運行成本要比降低初投資更重要。,,軌道式運行機構電動機發(fā)熱校驗 運行機構電動機初選時是根據(jù)運行速度大小給穩(wěn)態(tài)運行功率（阻性功率）乘以一個大于1的系數(shù)得出，且系數(shù)為離散值，為了更好更方便地對運行機構進行發(fā)熱校驗，經(jīng)計算對比，當采用公式（90）計算時，所選電動機功率值相對合適。本方法作為校驗方法，可在設計過程中進一步比照對比。 運行機構計算功率為： PS=P阻+0.5P慣 --------------------------（90） 式中：PS-------計算功率 P阻------阻性功率即穩(wěn)態(tài)運行功率PN P慣-----

25、-慣性功率即本標準公式（S.10),,PS=1/mP(+ma)+PWVy/1000/ +Jn2/182400/tq中的第二項 只要電機在機構相應接電持續(xù)率下的功率值PnPS，則發(fā)熱校驗通過。 該方式使離散系數(shù)成為連續(xù)，使電動機的選擇與校驗用不同的方法相互驗證。 由于P慣仍取決于加速時間ta或者說加速度a的選擇，所以應參照電動機初選中所給出的速度與加速時間關系表選擇加速時間，以計算合理的慣性功率。,,軌道式運行機構電動機發(fā)熱校驗舉例 例1：對運行機構電動機初選中的應用舉例1進行發(fā)熱校驗。已知：小車自重G=200t、額定起重量Gn=550t、額定運行速度30m/min、傳動效

26、率=0.9、加速時間ta=4s、加速度a=0.126m/s2、 工作級別M6、 電動機：YZP200L-6 22kw S3 JC=40%、 m=4臺。,,運行機構電動機發(fā)熱計算功率： PS=1/m(P阻+0.5P慣) =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 工作級別M6，對應電動機工作制為S3 JC=40%，所選電動機YZP200L-6在S3 JC=40%下的功

27、率Pn=22kw17.55kw，發(fā)熱校驗通過。,五、裝置及電阻器選擇,變頻調(diào)速裝置選擇時，一定要核算該裝置在起重設備應用工況下的最大輸出電流應不小于所驅(qū)動電動機的最大工作電流，其額定電流應不小于額定負載時電動機的工作電流，通常情況下，裝置的額定電流是能滿足發(fā)熱驗算要求的。 電動機最大工作電流的計算： 對于變頻閉環(huán)矢量（或DTC）控制的電動機，在不同輸出轉矩下電動機的電流值可按下列公式計算：,,（1）無功電流 I0=(In-Incos)1/2 （2）有功電流 Iw= (In2-I02)1/2 （3）基本負載電流 IM=I02+(M/Mn Iw)21/2 （4）最大起動電流 Imax=I02+(

28、Mmax/Mn Iw)21/2 （Mmax應不大于0.8m Mn） 式中：In-----------電動機額定電流； Mn---------電動機額定轉矩； cos-----電動機額定功率因素； M-----------基本負載轉矩； Mmax--------最大起動轉矩。,,采用整流回饋公用直流母線多傳動方式時，整流回饋單元電流應考慮可能同時工作的幾個機構所產(chǎn)生的最大工作電流及額定工作電流，其電流計算方法請參考正文7.8.4.3起重機的額定工作電流與7.8.4.4起重機最大工作電流。 采用制動單元方式時，制動單元的最大制動功率應大于電機的峰值制動功率，對于起升機構

29、還應校核制動單元的長期制動功率，其值應大于下降時的額定回饋功率。,,變頻調(diào)速采用制動單元時，制動電阻器的阻值應不小于制動單元限定的最小阻值（見制動單元樣本）,且要滿足在加減速時間內(nèi)所需的最大功率值，電阻器接電持續(xù)率及功率值與機構有關。 a）起升機構制動電阻器在JC=100%下的功率值應 不小于下降時的額定回饋功率，即約為： PN2； 起升制動電阻器最大制動功率VD2/R應不小于峰值制動功率，約為：2PN,,b）運行機構制動電阻器的阻值通常可按制動單元樣本提供的最小阻值取值，電阻器最大功率VD2/R應大于電動機最大制動功率 Pmax， Pmax =Mdq ne /9550。 電阻器的

30、功率值應為: 1/4*Pg* (Mdq2-MZ2)/(Mdq2+MZ2)，該功率值下的相應JC值同電機JC值。當電阻容量不大時，可忽略(Mdq2-MZ2)/(Mdq2+MZ2)按1/4*Pg取值。 其中：Pg =Pn-Pz , Pg為等效發(fā)熱慣性功率 Pn為電機額定功率 Pz為阻性功率,,圖中陰影部分為1個周期內(nèi)制動功率； 右圖是基于電動機起制動期間均以最大啟動轉矩工作，所以制動時間較啟動時間更短。,,c） 當已知電阻器阻值R，功率P，直流母線電壓VDC后，電阻元件在相應JC值下的電流值應不小于：I2=P/R,起重機起升、大小車運行機構制動行程計算,對于起升機構： 1、S=V/100 其中V為起升機構平穩(wěn)下降或上升速度（M/MIN） 一般下降制動行程控制在50-100mm為宜。 2、大車制動行程： Smin=V*V/5000 Smax=8V/120 其中V為大車機構平穩(wěn)運行速度（M/MIN）。 3、大車制動行程： Smin=V*V/5000 Smax=6V/120 其中V為小車機構平穩(wěn)運行速度（M/MIN）。,