摘要：傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電控系統(tǒng)能耗大，故障率高，調(diào)速精度差，已很難滿足現(xiàn)代工業(yè)要求。在橋式起重機(jī)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速技術(shù)，可以很好的提高可靠性和調(diào)速精度，并具有一定的節(jié)能效果。
1.引言
橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中使用十分廣泛的一種裝卸設(shè)備，由于橋式起重機(jī)的工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常需要在重載下頻繁起動、制動、正反轉(zhuǎn)、變速等操作，沖擊電流大，振動大，所以在傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制的電氣系統(tǒng)中，接觸器的觸頭因電機(jī)經(jīng)常有沖擊電流而燒壞，造成維修量大，維護(hù)成本極高，造成生產(chǎn)線停產(chǎn)損失更加不可估量，且傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。而調(diào)速性能高、工作可靠、維護(hù)方便的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)為橋式起重機(jī)的控制提供了一種全新的方案。該方案控制線路簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)量小、保護(hù)監(jiān)測功能完善，且高效、節(jié)能，因此采用交流變頻調(diào)速是起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。
2.橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制
橋式起重機(jī)是一種橫架在固定跨間上空用來吊運(yùn)各種物件的設(shè)備。一般由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)以及電氣控制設(shè)備等四個部分組成。運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過小車導(dǎo)電裝置(輔助滑線)、起重機(jī)總電源導(dǎo)電裝置(主滑線)等部分將電源輸送到中心電器上。
橋式起重機(jī)可以實現(xiàn)重物在三維空間的垂直、橫向、縱向運(yùn)動，通過大車電動機(jī)驅(qū)動沿車間兩邊的軌道作縱向前后運(yùn)動;小車及提升機(jī)構(gòu)由小車電動機(jī)驅(qū)動沿橋架上的軌道作橫向左右運(yùn)動，在升降重物時由起重電動機(jī)驅(qū)動作垂直上下運(yùn)動，如圖1所示
圖1 橋式起重機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形式
傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)一般采用繼電器-接觸器控制，電機(jī)為交流繞線式電動機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速，如圖2所示。啟動時，升接觸器或者降接觸器吸合，電磁制動器接觸器吸合打開抱閘，調(diào)速電阻上的接觸器不動作，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動;當(dāng)需要變速時通過吸合調(diào)速電阻上的不同接觸器來改變轉(zhuǎn)子線圈的電阻值，達(dá)到改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制系統(tǒng)有著許多缺點，電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差;繼電器-接觸器控制系統(tǒng)在頻繁切換的情況下，沖擊電流大，觸頭燒損、電刷冒火、電動機(jī)以及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生，故障率很大。
圖2 起升機(jī)構(gòu)電氣圖
3.變頻調(diào)速系統(tǒng)特點
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能和穩(wěn)定性得到了極大地提高，使在起重機(jī)上運(yùn)用變頻器變?yōu)榱丝赡?，從而根本上解決了傳統(tǒng)橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)的缺點。在起重設(shè)備中使用變頻調(diào)速控制必須先了解起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)對傳動系統(tǒng)的要求。
(1)起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實驗等因素，至少應(yīng)在起動加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。
(2)由于機(jī)械制動器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動器的制動轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動信號與機(jī)械制動器動作信號的控制時序。
(3)當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時，電動機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。
(4)起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。
根據(jù)以上起重機(jī)的運(yùn)行特點，變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備將采用以下方法選擇：
3.1 變頻器容量的選擇
3.1.1 起升機(jī)構(gòu)(主/副 鉤)驅(qū)動變頻器的容量P0(kVA)必須大于負(fù)載需求：
P0≥k×Pm/(η×cosφ) (1)
式中 k―過載系數(shù)，為電機(jī)輸出最大力矩與規(guī)定力矩的倍數(shù)(一般為2)除以變頻器過載系數(shù);
Pm―負(fù)載需求電動機(jī)軸的輸出功率(kW);
η―電動機(jī)效率(通常約0.85);
cosφ―電動機(jī)的功率因素(通常約0.75);
3.1.2平移機(jī)構(gòu)包括大車小車回(旋)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大多采用多臺電機(jī)傳動，因此驅(qū)動變頻器采用一拖多形式，變頻器的容量必需大于總負(fù)載需求的電流：
ICN≥k×n×In (2)
式中 k―電流波形修正系數(shù)，PWM調(diào)制時取1.05~1.1;
In―工頻時單臺電動機(jī)額定輸出電流(A);
ICN―變頻器額定輸出電流(A);
n―單臺變頻器驅(qū)動電動機(jī)的數(shù)量;
3.2 制動單元和制動電阻的選擇
3.2.1平移機(jī)構(gòu)制動單元、制動電阻的選擇
平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動上的制動單元、制動電阻一般按變頻器說明書上對變頻器與制動單元、制動電阻的標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行選擇。
3.2.2起升機(jī)構(gòu)制動單元、制動電阻的選擇
起升機(jī)構(gòu)在下降過程中再生電能能量大，時間長，為保證變頻器正常工作需重新配置制動單元和制動電阻。
(1)電阻值RB 的計算
RB的最小電阻值Rmin由變頻器的最大電流值I(max)和制動單元技術(shù)規(guī)格決定如下
4.起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計
4.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電氣設(shè)計
現(xiàn)以江蘇溧陽某變壓器廠50T雙梁橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)變頻改造為例，詳細(xì)說明起重機(jī)變頻調(diào)速的設(shè)計步驟。該起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)采用的是YZR315S-10?的電機(jī)，功率為55KW，根據(jù)式(1)及電機(jī)參數(shù)計算得到起升機(jī)構(gòu)所需的變頻器容量為95KVA，現(xiàn)采用四方電氣高性能重載性矢量變頻器A510-4T0750變頻器，該變頻器容量為98KVA，且具有超強(qiáng)的過載能力和啟動力矩以及多種典型宏參數(shù)可一件完成設(shè)置，內(nèi)置的三相濾波器和電抗器減少了諧波，增強(qiáng)了抗干擾，因此非常適合起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工況應(yīng)用，制動電阻根據(jù)式(3)到(6)求得。具體設(shè)計如圖3所示，由于不需要串電阻調(diào)速，因此要將電機(jī)的轉(zhuǎn)子短接， K1，K2為正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)信號，K3，K4，K5為多段速控制信號，電磁制動接觸器控制電磁制動器的抱閘動作。
圖3起升機(jī)構(gòu)變頻控制電氣設(shè)計圖
4.2起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點
橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中，大車和小車一般由一臺變頻器帶多臺電機(jī)，因此變頻器采用U/F控制方式，而起升機(jī)構(gòu)為一對一控制，為獲得良好的性能采用無感矢量控制模式。起重機(jī)在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤。在這個問題上主要考慮變頻器運(yùn)行時與電磁制動器接觸器吸合的配合時間，若在上升，下降過程中制動器打開過早，易出現(xiàn)溜鉤，打開過晚，變頻器容易報故障，在停車過程中，若抱閘過早，變頻器容易報故障，抱閘過晚容易出現(xiàn)溜鉤。所以，解決此問題的關(guān)鍵主要有兩點：
1)起吊重物停住控制要點
通過設(shè)定停止起始頻率，和維持時間(應(yīng)大于制動電磁鐵抱閘時間0.6S)，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到時，變頻器輸出一個“頻率到達(dá)信號”，發(fā)出制動電磁鐵斷電指令，此時維持一段時間，隨后變頻器工作頻率降為0Hz。
2)起吊重物起升降控制要點
設(shè)定“升降起始頻率”和檢測電流時間，當(dāng)變頻器到達(dá)的同時，變頻器開始檢測電流，確認(rèn)電流足夠大，產(chǎn)生的力矩能抵消下降力矩時發(fā)出送開指令，使制動電磁鐵開始通電松開抱閘，應(yīng)大于電磁鐵松開時間。但還有其他參數(shù)及機(jī)械上的配合;譬如：變頻器的加減速時間，電磁制動器彈簧的松緊程度等。具體控制邏輯如圖4所示。
圖4 電氣機(jī)械制動控制邏輯
結(jié)論
通過大量的現(xiàn)場裝備，和該廠原有系統(tǒng)相比，調(diào)速精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，加快了裝配速度，提高了工作效率，在低速時啟動力矩大，系統(tǒng)啟動平穩(wěn)，減少了對減速機(jī)，聯(lián)軸器，鋼絲繩的機(jī)械沖擊，也降低了對電網(wǎng)的沖擊，使維護(hù)費(fèi)用大大降低，且節(jié)能效果顯著，充分驗證的本文方案的有效性，和可行性。
（轉(zhuǎn)載）
