變頻調速技術在起重機上的應用

摘要:主要研究變頻調速技術在起重機起升機構中的應用，為起重機電控系統改造提供一種參考。電氣系統是橋式起重機的一個重要組成部分。起重機調速絕大多數需在運行過程中進行，而且變換次數多，故機械變速不適合，需采用電氣調速。傳統調速方案一般采用轉子串多級電阻方式，先進的調速方案是PLC控制的變頻器調速技術。

關鍵詞:起重機 起升機構 電氣系統 變頻調速 PLC

0 引言

起重機的主要機構有:主起升機構、副起升機構、大車運行機構和小車運行機構。對小噸位起重機(10t及以下)一般不設副起升機構。主、副起升機構和小車運行機構各由一臺YZR系列繞線型電動機驅動，大車運行機構一般采用2臺YZR系列繞線型電動機分別驅動。起重機對電氣傳動的要求有:調速、平穩或快速啟制動、大車運行糾偏和電氣同步、吊重止擺等，首當其沖的是調速要求，且以起升機構對調速要求最高，因為起升機構經常滿載啟制動、換向又要求準確停車。傳統調速方案一般采用轉子串多級電阻方式，另外還有變極調速，改變定子電壓調速，電磁滑差離合器調速，串級調速等，但最先進的調速方案是PLC控制的變頻器調速技術。

1轉子串多級電阻調速方案

轉子串多級電阻方式靠調節主回路參數實現調速，采用繼電器、接觸器邏輯電控系統，是有級調速。該方案有如下特點：①是有級調速，而且級數不能太多；②隨轉子電阻增大，機械特性變軟，調速比很小(大約1：3)；③效率低；④是恒轉矩調速；⑤沖擊電流較大，當操縱手柄回到零位時，主接觸器瞬時斷開，機械制動器在高速情況下立即抱閘，機械沖擊力大，結構危害嚴重。但這種方法簡單實用，初投資少，因此常用于起重機類負載中。在設計電氣線路總體方案時，根據各機構電動機的容量、電動機類型、接電持續率、通斷次數期望的控制器工作壽命、機械特性的特殊要求等因素，分別確定其控制方案，再加上安全保護、照明訊號等進行綜合考慮后，即可繪出整臺起重機的電路圖。

2變頻調速

隨著電力電子技術、計算機技術及自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調速取代直流調速和計算機數字控制技術取代模擬控制技術已成為發展趨勢。交流變頻調速技術是當今節電、改善工藝流程以提高產品質量和改善環境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調速以其優異的調速和啟制動性能，高效率、高功率因數和節電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優點而被國內外公認為最有發展前途的調速方式。變頻調速系統主要由電動機、變頻器和控制器組成。

2.1電動機變頻調速并沒有改變電機的硬特性，而是通過改變電機的旋轉磁場的角速度來進行調速的，因此可采用結構堅固、維護簡單的鼠籠型異步電機來取代原來的繞線型電機。普通三相異步電動機的轉速是固定的，電機廠是根據電機的轉速設計風扇，普通電機如果用變頻器降速驅動，風扇的轉速也會降低，風扇的風量就會下降，電機溫度升高。另外，普通電機用于變頻調速系統時，會引起較大的噪聲，用于高頻段還會產生附加發熱，能耗高，必須降載使用，調速范圍也因為特性較差而受到限制。在高頻段，與轉子同軸的風扇會產生較大的噪聲，振動產生的附加載荷還會降低軸承和潤滑脂的壽命。基于上述原理，起重機采用變頻調速系統一般選用專用變頻電機比較合理，改造時最好更換電機。變頻電機是專門配合變頻器使用的特殊電機，是用另外加配的電風扇散熱，風扇不受電機的轉速限制，變頻電機可在保證力矩的情況下長期低速運行。國內推出的變頻電動機是由普通電動機加獨立風扇組成，國外生產的變頻電機有奧托變頻電機、先馬變頻電機。選擇變頻電機的基本原則如下:①所選電機的最小轉矩能滿足額定載荷下穩定運行的需要；②最大轉矩能保證啟、制動過程中加速、減速的需要；③溫升不超過允許值。

2.2變頻器變頻技術在短短的10年間，已經從U/F比控制、電壓空間矢量控制發展到無速度傳感器的直接轉矩控制(DTC)，功率開關器件從GTO，GTR，IGBT，IPM到IGCT。德國西門子公司、德國ABB公司、日本三菱公司的變頻器在中國應用較多，其中西門子的ACC600型變頻器為起重機專用變頻器，其上裝有專為起重機設計的應用軟件CraneDrive。其優點是:首先提供了起重機常規操作所必需的控制端口，如零位端口、制動器應答信號端口、制動器打開命令端口、提升鋼絲繩松弛檢測端口、快速停車端口以及看門狗的保護端口等；其次對控制提供了操縱桿、電動機電位器控制、無線電遙控、總線控制等多種方式。因此專用變頻器通常不需要加裝PLC就可完成所有的操作。

變頻器容量選擇的前提條件是變頻器的額定電流大于電動機的額定電流。起重機的起升機構最好選用專用變頻器，其他機構可選通用變頻器。調試時，變頻器功能參數的設置非常重要，是關系到變頻器與設備運行工況是否配合恰當的重要環節，需要在使用過程中結合設備運行情況不斷摸索修正。另外，根據用戶要求借助變頻器編程軟件進行恰當的編程，可使變頻器功能超常發揮。

2.3PLCPLC的選用包括:①確定足夠的輸入/輸出點數，選擇合適規模的PLC；②根據被控對象的性質、系統的控制功能和要求，選擇PLC的結構和型號；③根據控制系統中輸入/輸出信號的種類和要求，選擇PLC輸入/輸出形式及負載能力。

PLC的主要生產國在美國、德國、日本，尤以美國A-B公司、德國西門子公司、日本三菱公司的產品在中國應用最多。

PLC為變頻調速系統的中樞控制系統，一個PLC可控制多臺變頻器。變頻器接受PLC運行指令，返回運行參數、集中處理操作信號和保護信號。

2.4主起升機構的PLC和變頻器控制原理圖

主起升機構PLC和變頻器控制原理圖如圖1所示。

司機在聯動臺發出信號，操作手柄打到上升或下降某一個檔位，通過中間繼電器，PLC接受信號，執行程序，把上升或下降信號送給變頻器，同時把檔位速度信息送給變頻器，變頻器接收指令后開始工作。首先通過整流電路將交流整流為直流，然后再通過控制回路有規則地控制逆變電路的導通與截止，即令帶有脈寬調制功能的逆變電路中的6個晶體管開關元件有規則地交替輪流切換導通，則在變頻器輸出端得到交流電壓。通過改變晶體管開關元件的通斷周期，使得變頻器輸出端交流電壓頻率得以改變，從而改變電機轉速。電機加減速時間可以通過改變變頻器的設定參數來調整。

電機主回路無觸點，快速熔斷器F02用于保護輸入整流橋不因內部短路故障而損壞，電抗器L0可以抑制電網峰值電流，同時降低電機噪音。在位能負載控制回路中加入制動元件和制動電阻。

3 結語

如果主起升機構進行了PLC控制的變頻器調速改造，那么副起升機構、大車運行機構和小車運行機構都要進行相應的改造，以使整個電氣系統相匹配。在選用變頻器型號和設置功能參數時，應結合現場生產設備的具體情況而定，包括工況和負載特性等。