1 概述

橋式起重機是工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機械，我廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)有多臺橋式起重機，工作量大，使用頻繁。橋式起重機電力拖動系統(tǒng)多采用繞線式交流異步電機，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入多段外接電阻調(diào)速，采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。這種控制系統(tǒng)主要缺點是:

1)大車、小車、吊鉤升降、開閉拖動運行系統(tǒng)采用變阻調(diào)速，運行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質(zhì)，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生，又制成柵狀，高溫時易彎曲變形造成短路事故。

2)電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。

3)由于現(xiàn)場環(huán)境中粉塵、有害氣體對電動機集電環(huán)、繼電器的腐蝕，再加上繼電器、接觸器控制系統(tǒng)切換頻繁，起動時，沖擊電流大，因此觸頭燒損、電刷冒火、電動機燒損故障時有發(fā)生，故障率高。

4)調(diào)速平滑性差，對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊大，影響使用壽命。

5)系統(tǒng)抱閘是在運動狀態(tài)下進行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴(yán)重。

隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和軟件技術(shù)的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機上應(yīng)用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，可實現(xiàn)橋式起重機的抓斗的升降、開閉，小車和大車機構(gòu)的無級調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運行的安全性和精確性。

2 變頻調(diào)速改造方案

對擔(dān)負我廠9臺鍋爐和6臺造氣爐原料煤上料工作的3#吊車(10 t 橋式起重機)的大、小車電力拖動系統(tǒng)，吊鉤升降、開閉電力拖動系統(tǒng)進行變頻調(diào)速技術(shù)改造，以改善其操作性能、降低故障率。橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

2.1 變頻調(diào)速改造方案設(shè)計

10 t橋式起重機的電氣傳動系統(tǒng)為：大車電動機2 臺，額定功率2×11 kW;小車電動機1 臺，額定功率15 kW;提升電動機1臺，額定功率37 kW;開閉電動機1臺，額定功率37 kW。改造的具體設(shè)計方案是:

1)電動機采用原有的，即大車的鼠籠式異步電動機，其他的繞線式異步電動機保持不變。

2)用4 臺變頻器來控制5 臺電機，實現(xiàn)重載啟動與變頻調(diào)速，主電路電氣原理框圖如圖1所示。

3)電氣控制系統(tǒng)中原各電氣控制柜和繼電器、接觸器一律取消，更換為新電氣控制柜，變頻器采用的是日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B 系列起重專用變頻器。

4)調(diào)速方式采用具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速分擋調(diào)節(jié)。

5)制動方式采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方式。運行(重物下降)時，采取在變頻器直流回路內(nèi)接入制動電阻的方式消耗掉再生的電能，把運行的大、小車和吊鉤迅速而準(zhǔn)確地停止住(速降為0)。吊鉤作業(yè)時，常常有將重物在半空中停留一段時間的現(xiàn)象(如重物在空中平移或突然停電時)，變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如平移時常出現(xiàn)斷電)，可靠性差。因此，還必須同時采取電磁制動器進行機械制動以配合可靠完成作業(yè)。

2.2 電氣工作原理

1)吊鉤升降、開閉機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機構(gòu)拖動系統(tǒng)各有一臺電機，由于吊鉤升降、開閉機構(gòu)拖動系統(tǒng)電機同時工作，因此兩套機構(gòu)不能共用一套變頻器。在司機操作室聯(lián)動臺上分別設(shè)有吊鉤升降、開閉機構(gòu)主令控制器Ks、Kf。系統(tǒng)的控制指令，由司機室聯(lián)動臺主令控制器Ks、Kf 給出，經(jīng)PLC 運算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關(guān)閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機構(gòu)制動打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC 邏輯運算后驅(qū)動制動器控制接觸器Cs、Cf，使制動器動作。

變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時，變頻器給出故障信號輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號后，切斷變頻器電源，控制制動器抱閘，并發(fā)出報警信號。

吊鉤升降、開閉機構(gòu)除了變頻器內(nèi)部有保護功能外，還設(shè)置了線路保護：

(1)零位保護，由主令控制器零位觸點實現(xiàn)此功能;

(2)限位保護，由高度限制器實現(xiàn);

(3)線路設(shè)有低壓斷路器作為短路保護。

2)小車運行機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)小車運行機構(gòu)由一臺變頻電機驅(qū)動，采用1 臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與起升機構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

3)大車運行機構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)大車運行機構(gòu)由兩臺變頻電機驅(qū)動，采用1臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與小車運行機構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

3 變頻器與PLC的選擇

3.1 變頻器的選擇

變頻器采用日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專用變頻器。

3.1.1 變頻器控制方式的選擇

由于起重機機構(gòu)多為恒轉(zhuǎn)矩負載，故選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。

平移機構(gòu)慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器;起升機構(gòu)慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故抓斗升降、開閉機械分別選用安川CIMR-G7B4055、安川CIMR-G7A4055 型變頻器，采用閉環(huán)矢量控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。

3.1.2 變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇是以電動機的額定功率為依據(jù)的。由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與通用鼠籠異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應(yīng)考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機額定電流往往較大，所以選擇時應(yīng)考慮一定余量。雖然起重機升降機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，以及安全勞動部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構(gòu)電動機的變頻器容量。大車、小車運行機構(gòu)屬于大慣量負載，其加減時間一般不超過20 s，變頻器的短時過載能力為150%，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當(dāng)加速時間>2 min時，變頻器功率選擇應(yīng)放大些，以此來選擇大車、小車運行機構(gòu)電動機的變頻器容量。

3.1.3 制動單元和制動電阻的選擇

當(dāng)電動機處于反接制動或再生制動狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過高而使直流過壓保護動作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設(shè)制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。廠商已提供與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大車、小車、升降、開閉制動單元均選用日本安川CDBR-4045 型與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大車、小車、升降、開閉制動電阻均選用上海永前ZX25Y2-4045/2H型制動電阻器。

3.2 PLC的選擇

本系統(tǒng)中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC 來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制，接線簡化，電源功率損耗減少。設(shè)置回路故障診斷功能和有效的電氣保護功能使系統(tǒng)具有一定的智能性和更高的可靠性。橋式起重機PLC 邏輯控制梯形圖如圖2所示。其主要功能如下：

1)變頻器運行、停止控制;

2)控制制動器，保證電動機停止時能夠及時制動，既不提前，也不延后;

3)升降變頻器控制方式切換;

4)電氣閉鎖保護控制;

5)升降、開閉變頻器中任意一臺變頻器報警故障時，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時制動;

6)任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運行，制動器制動。[!--empirenews.page--]

4 系統(tǒng)控制要點

橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制包括：大車的左、右行及速度擋;小車的前、后行及速度擋;吊鉤的升、降，開、閉及速度擋等，這些都可以通過變頻器可編程控制器進行無觸點控制。橋式起重機控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由于停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。在這個問題上，主要應(yīng)考慮變頻器運行時與電磁制動器接觸器吸合的時間配合。

4.1 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0.6 s)，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到停止起始頻率時, 變頻器輸出一個“頻率到達信號”,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0。

4.2 起吊重物升降控制要點

設(shè)定“升降起始頻率”和“檢測電流時間”，當(dāng)變頻器達到升降起始頻率，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)出松開指令，使制動電磁鐵開始通電松開抱閘，檢測電流時間應(yīng)大于電磁鐵松開時間。

4.3 自動轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置

自動轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置，在調(diào)試過程中適當(dāng)?shù)靥岣咧蓄l電壓可以改善低頻特性，從而提高啟動轉(zhuǎn)矩;提高零頻電壓可以加大直流強勵磁，使電機保持足夠大的轉(zhuǎn)矩防止溜鉤。

吊車使用完畢后，應(yīng)將主令控制器放置零位，30 s后按下停止按鈕，斷開主電源，關(guān)閉風(fēng)機及照明電源開關(guān)，確認(rèn)斷電后，鎖好操作室門方可離開。

5 變頻器功能參數(shù)的設(shè)置

橋式起重機各傳動機構(gòu)改造采用的日本安川CIMR-G7 和CIMR-F7 系列變頻器的功能參數(shù)設(shè)置如表1所列。

6 改造后的應(yīng)用效果

從改造后運行來看，取得的效果非常明顯。主要表現(xiàn)為：

1)橋式起重機的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準(zhǔn)確，減少了負載波動，安全性大幅提高。

2)系統(tǒng)運行的開關(guān)器件實現(xiàn)了無觸點化，具有半永久性的壽命。

3)由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，壽命延長。

4)電磁制動器在低速時動作,其閘皮的磨損很小，使用壽命延長。

5)降低了對電網(wǎng)的沖擊。

6)節(jié)約能源，變頻調(diào)速的啟動、制動、加速、減速等過程中，電機運行電流小。以本案來講，節(jié)能可達30%左右。該項目投資總費用為15 萬元，2007 年5月改造完畢，投入運行。經(jīng)同期對比，在生產(chǎn)工況相同的情況下，改造后的電耗和維修費用比改造前每月下降約6 000元，2年左右的時間就可收回投資。

7 結(jié)語

通過技術(shù)改造，不僅提高了橋式起重設(shè)備安全運行時間，也使工作勞動維修強度大幅降低，因此，變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機上的應(yīng)用值得推廣。