變頻調(diào)速系統(tǒng)在通用橋式起重機(jī)節(jié)能改造中的應(yīng)用

尹承寶

唐山市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，河北 唐山 063000

通用橋式起重機(jī)的外型像一座橋梁，又稱“天車”、 “行車”，其主要結(jié)構(gòu)分為：橋架—主梁、端梁、欄桿、走臺、小車軌道；大車行走機(jī)構(gòu)—拖動整臺起重機(jī)沿著大車軌道運(yùn)動，由繞線電動機(jī)、制動器等組成；小車行走機(jī)構(gòu)—拖動重物及主鉤（副鉤）運(yùn)動，由繞線電動機(jī)、制動器等組成；起升機(jī)構(gòu)—拖動重物升降運(yùn)動，由繞線電動機(jī)、制動器等組成，一般有兩個(gè)起升機(jī)構(gòu)，主起升機(jī)構(gòu)（主鉤）和副起升機(jī)構(gòu)（副鉤）。

1 繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)起重機(jī)與變頻調(diào)速系統(tǒng)起重機(jī)對比

傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的電力拖動系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動和調(diào)速，繼電—接觸器控制，“繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)”方式（以下簡稱傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)）。

通過滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入若干段電阻，由接觸器來控制接入電阻的多少，從而控制轉(zhuǎn)速。

這種控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)有：

1）傳動性差。電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，傳動系統(tǒng)機(jī)械特性很軟，能耗大，調(diào)速范圍小，穩(wěn)定性和調(diào)速精度很差。

2）可靠性差。接觸器控制系統(tǒng)頻繁切換，起動時(shí)沖擊電流大，起重機(jī)司機(jī)經(jīng)常靠反接制動來穩(wěn)鉤常常導(dǎo)致觸頭燒毀、電刷冒火、甚至電動機(jī)燒損等故障。

3）增加能耗。起重機(jī)經(jīng)常在低速狀態(tài)下運(yùn)行，大量的功率消耗在轉(zhuǎn)子串接的電阻上（一般情況下可占總能耗的20%以上）電機(jī)損耗功率以熱能形式釋放，能量不能回收，電阻需定時(shí)更換。從節(jié)能和經(jīng)濟(jì)兩方面來講，都不可取。

近年來，由于電控技術(shù)特別是變頻調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，以及變頻器價(jià)格的不斷降低，變頻調(diào)速技術(shù)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，起重機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要采用變頻調(diào)速技術(shù)和可編程邏輯控制技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了變頻器在位勢能負(fù)載上的應(yīng)用，可取代傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，適用于新設(shè)備的制造和既有設(shè)備改造。

變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：

1）調(diào)速范圍寬，通用性強(qiáng)、動態(tài)響應(yīng)快、定位精確。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量小，維護(hù)方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低；

2）可以進(jìn)行電機(jī)的軟啟動，軟停止，并且實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速 降低傳動沖擊，延長起重機(jī)的使用壽命；

3）組件高度集成，避免了原系統(tǒng)中接線復(fù)雜，電氣可靠性差等問題使保護(hù)性能完善、可靠性增強(qiáng)。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時(shí)間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關(guān)的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統(tǒng)的1/10～1/100，因觸點(diǎn)接觸不良造成的故障大為減少；

4）節(jié)能效果十分明顯，有效提高整機(jī)工作效率，平均節(jié)電率可達(dá)20%以上；

5）采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，可完全杜絕操作人員違章操作，增加安全性。

綜上所述，在原有起重機(jī)系統(tǒng)中存在諸多問題，如果在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)加裝變頻器 PLC可使起重機(jī)性能很大改觀，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高。

2 變頻調(diào)速系統(tǒng)改造

下面以某廠備件庫一臺型號為QD40/10t-22.5m工作級別為A5的通用橋式起重機(jī)變頻系統(tǒng)改造為例，介紹變頻調(diào)速系統(tǒng)在起重機(jī)節(jié)能改造的應(yīng)用。

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)的橋式起重機(jī)大車有兩臺電動機(jī)同時(shí)拖動，小車、主鉤，副鉤各有一臺電動機(jī)拖動所以整個(gè)系統(tǒng)有5臺電動機(jī)，4臺變頻器傳動，并由4臺PLC分別加以控制。

圖1

1）可編程控制器。采用可以編制程序的存儲器，用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出控制電動機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等，控制信號進(jìn)入PLC，經(jīng)PLC處理后，向變頻器發(fā)出工作信號，使電動機(jī)工作，是系統(tǒng)的核心；

2）變頻器。利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能；

3）制動電阻。消耗起重機(jī)放下重物時(shí)，由于重力作用產(chǎn)生大量的再生電能，如果不及時(shí)消耗掉這部分再生電能，就會直接作用于變頻器的直流電路部分，輕者，變頻器會報(bào)故障，重者，則會損害變頻器；制動電阻的出現(xiàn)，很好的解決了這個(gè)問題，保護(hù)變頻器不受電機(jī)再生電能的危害。

橋式起重機(jī)大車、小車、副鉤、主鉤電動機(jī)工作由各自的PLC控制，它們的電動機(jī)都運(yùn)行在電動狀態(tài)，控制過程基本相似，變頻器和PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實(shí)現(xiàn)基本相同，而主鉤電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)處于電動、倒拉反接或再生制動狀態(tài)，變頻器與PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實(shí)現(xiàn)稍有區(qū)別。控制小車電動機(jī)的變頻器與PLC控制原理圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)對變頻器的控制，必須對PLC進(jìn)行編程，通過程序?qū)崿F(xiàn)PLC與變頻器信息交換的控制。編程的重要依據(jù)是系統(tǒng)的工作過程。

以橋式起重機(jī)小車電動機(jī)的工作過程為例：

在駕駛室門及橫梁欄桿門關(guān)好后，位置開關(guān)SQa、SQb、SQc閉合，緊急開關(guān)SB2等符合要求的情況下，速度選擇開關(guān)置于零位，按下起動按鈕SB1，接觸器KM通電吸合，三相電源接通。

當(dāng)速度選擇開關(guān)置于正轉(zhuǎn)速度1時(shí)，將三相交流電和電動機(jī)接通，1檔速度起動，速度選擇開關(guān)置于正轉(zhuǎn)速度2時(shí)，2檔速度運(yùn)行，一般橋式起重機(jī)正反向均有5檔速度，其余與此類似。

速度選擇開關(guān)置于零位或由于停電，電動機(jī)停止運(yùn)行。為防止因停電、變頻器跳閘等使拖動負(fù)載快速下降出現(xiàn)危險(xiǎn)，仍設(shè)置有機(jī)械制動裝置。

當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，可立即拉開緊急開關(guān)SB2，一方面機(jī)械制動將所有電動機(jī)制動，另一方面將變頻器緊急停機(jī)控制端EMS接通，變頻器將使電動機(jī)迅速停車。當(dāng)電動機(jī)過載時(shí)，可使熱繼電器的觸點(diǎn)FR接通變頻器的外接保護(hù)控制端，使變頻器停止工作。

位置開關(guān)SQ1和SQ2裝在小車兩頭。當(dāng)小車行走到接近終端時(shí)，兩端各有行程限位器，撞尺壓上限位開關(guān)后，切斷小車電路，小車電動機(jī)停車并制動。

變頻器因發(fā)生故障而跳閘后，當(dāng)故障已被排除、可以重新起動時(shí)，按下復(fù)位按鈕SB，接通復(fù)位控制端RST，使變頻器恢復(fù)到運(yùn)行狀態(tài)。

本臺起重機(jī)電氣改造后，經(jīng)6個(gè)月的運(yùn)行檢測節(jié)能27%；起制動平穩(wěn)，機(jī)械沖擊小；定位準(zhǔn)確。

3 結(jié)論

本文只以小車電動機(jī)的控制為例來分析系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)。其它電動機(jī)制控制原理相同，只是電動機(jī)工作狀態(tài)和工作過程稍有區(qū)別。若是改造原有系統(tǒng)，大小車電動機(jī)仍可采用原有的繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，將轉(zhuǎn)子繞組引出線短接，去掉電刷和集電環(huán)，節(jié)省更換電動機(jī)的費(fèi)用。起重機(jī)采用變頻器調(diào)速系統(tǒng)，不僅能滿足起重機(jī)工藝要求，而且克服了傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題。同時(shí)可以通過變頻器參數(shù)設(shè)置很多種保護(hù)功能，使系統(tǒng)保護(hù)更加完備。變頻調(diào)速系統(tǒng)的改造，一次性的成本投入是比較大的。但從節(jié)能、提高生產(chǎn)率、降低使用成本、提高安全性等方面來看，也就是說綜合考慮性能、價(jià)格、經(jīng)濟(jì)等因數(shù)，是值得的。

[1]劉守操，余文杰.可編程序控制器與變頻技術(shù)[M].廣東工業(yè)大出版.

[2]陳道南.起重運(yùn)輸機(jī)械[M].冶金工業(yè)出版社.

[3]萬力，徐格寧.GBT3811-2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版.