直流調速技術在塔式起重機上的應用探討

李水林

（葛洲壩集團股份有限公司設備中心，湖北宜昌443002）

SCM900 t.m塔式起重機起升機構，采用的是直流傳動控制系統，以直流電動機為動力，通過西門子6RA7085直流調速器整流，使直流電動機的電樞電流和勵磁電流能夠做到精確控制，從而使其具有良好的調速性能，可在很寬的范圍平滑調速。所以，其在啟動性能及力矩調節要求苛刻的場合，使用得非常廣泛。

西門子6RA7085直流調速器，是一種較先進的直流調速裝置，其體積小，效率高，具有輸入輸出電壓范圍寬、調壓簡便、故障報警自診斷、過電壓和過電流保護等功能和優點，實際使用過程中，更換備用設備簡單方便快捷。但由于電網電壓波動、環境溫度較高、負荷波動或外接元件匹配不當等，也會造成西門子6RA7085直流調速器出現各類故障，從而影響生產。由于西門子6RA7085直流調速器本身技術含量高又價格高昂，返廠修理存在較多的困難且花費昂貴；另一方面又給裝置生產帶來影響。因而分析并排除調速器出現的故障，可以最大限度地節約生產運行成本，為裝置正常生產提供保障。所以，多次對西門子6RA7085直流調速器本體的故障進行排除，取得了很好的效果，并積累了一定的修理經驗。

1 調速原理

SCM900 t.m塔式起重機起升機構直流電動機的調速是將50 Hz、380 V交流電通過西門子直流調速器內部橋式整流電路（電樞是四象限工作整流器通過兩個三相全控橋無環流反并聯連接電路供電，勵磁是通過單相半控橋電路供電）進行整流，將交流電轉化成兩路輸出直流電源，一路輸入給直流電機電樞（轉子），一路輸入給直流電機礪磁（定子），直流調速器通過控制電樞直流電壓，來調節直流電動機轉速，同時直流電動機給調速器一個反饋電流，調速器根據反饋電流來判斷直流電機的轉速情況，必要時修正電樞電壓輸出，以此來再次調節電機的轉速（如圖1）。

圖1 直流調速原理

2 故障易發部位分析

2.1 雙向晶閘管（TRIAC）易造成短路

3 組可控硅是負載的主要功率部件，由于發熱嚴重、電機的電纜發生短路、電機內部短路或者負載側過電壓，都會造成可控硅的損壞。不同的故障，有不同的表現形式。可控硅的某一只斷路，會造成輸出電壓與設定輸出點不符，輸出會偏低；可控硅短路，會造成相間短路而燒毀西門子直流調速器外部的熔斷器（如圖2）。

圖2 三相全控橋式整流電路

西門子6RA7085直流調速器里的電源板，是為整個調速器供電，某組電源有時會出現較大的電流，再加上環境影響，如灰塵、潮濕或是元器件本身有缺陷，在使用一段時期后，就會出現故障。

然而西門子6RA7085直流調速器在塔式起重機上應用時，晶閘管短路即相間短路最主要的原因，是直流調速器負載側過電壓，產生過電壓的實質，是由于某種原因使電動機處于再生發電狀態，負載傳動系統中所存儲的機械能，經電動機轉換成電能，電路中積聚的電磁能量消散不掉。

2.2 過電壓的情況及原因

直流調速器工作電壓與斜坡函數的關系：

(1)斜坡上升時間：斜坡函數發生器，其輸入量階躍變化從0到100%或從0到-100%并在0附近有初始圓弧和最終圓弧，達到100%輸出值所需的時間。在較小的階躍信號時，輸出量與輸入量有相同的斜率。

(2)斜坡下降時間：斜坡函數發生器，其輸入量階躍變化從100%到0或從-100%到0并在0附近有初始圓弧和最終圓弧，達到0輸出值所需的時間。在較小的階躍信號時，輸出量與輸入量有相同的斜率。

HLZ...斜坡上升時間（P303，P307，P311），RLZ...斜坡下降時間（P304，P308，P312）；

AR 初始圓弧 （P305，P309，P313），ER 最終圓弧（P306，P310，P314）；

2.2.1 直流調速器工作電壓特性及斜坡函數

（1）從斜坡下降斜率轉換為上升斜率的過渡；

（2）在最大的下降斜率之前，實現初始圓弧轉換到最終圓弧；

（3）由于輸入階躍信號僅執行最終圓弧的最后部分。

2.2.2 過電壓原因

（1）當直流調速器拖動大慣性負載時，其減速時間設定的比較小，在減速過程中，負載慣性比較大，靠本身的阻力減速比較慢，負載拖動電動機的轉速過快，電動機處于發電狀態，直流調速器沒有電能處理單元或其作用有限，從而使直流回路電壓升高，超出保護值；

圖3 斜坡函數發生器運行原理

（2）工藝流程限定了負載的減速時間，合理設定參數也不能減緩這一故障，系統也沒有采取處理多余能量的措施；

（3）當電動機所傳動的負載下放時，負載勢能瞬間下降過快，電動機將處于再生發電狀態，從負載側向直流回路回饋電能，超出其保護值，短時間集中回饋過多的能量，超過直流回路及其能量處理單元承受能力。

3 故障維修事例及策略

SCM900 t.m塔式起重機起升機構直流調速器主回路雙向晶閘管在重載超速下降時，一旦遇到電網瞬間掉電，容易造成三相全橋某一橋上的一組晶閘管同時短路。

3.1 更換同型號新直流調速器步驟及優化方法

（1）輸入電機參數和編碼器參數。電機參數為：

根據電網電壓——p078.01=370 V，p 078.02=370 V；P80=1，p81=1，p82=2，p83=2；

根據電機銘牌——p100=370（電樞電流），p101=355（電樞額定電壓），p102=9.9（勵磁額定電流），p108=1000（電機轉速）；

編碼器參數——p140=1，p141=512，p142=1，p143=1500（轉速，根據電機銘牌），p661=K1，p771=250，p772=106，p91.02=1.5（斷電后保持弱磁1.5 s）。

（2）優化直流調速器（按照優化參數分3步進行）。P051=21（恢復出廠設置）；

帶載運行——p 051=25（電樞和勵磁）的優化，p 051=26（速度的優化運行）；

空載運行——p051=27（勵磁減弱的優化運行）；p051=40（授權參數修改）。

（3）優化后輸入給定（部分）主要參數。

3.2 更換新雙向晶閘管步驟及檢測運行方法

圖4 整流器連接圖

斷開直流調速器外部連接線路，運用專用工具將直流調速器解體后，斷開主回路晶閘管連接線路，用歐姆表逐只檢測晶閘管阻值，更換阻值變化較大的一組晶閘管，恢復直流調速器及外部連接線路，通電運行參數P830=0，晶閘管診斷如果沒有檢測到故障，則直流調速器恢復正常。

4 減少故障和延長使用壽命的措施

（1）經常仔細檢查直流調速器內部風機轉動狀況。通電時，用手感覺直流調速下部風機是否有風吹出；斷電后，用手轉動風葉，觀察軸承有無卡死或轉動不靈活現象，必要時更換處理。

（2）定期對直流調速器進行維護。由于直流調速器下進風口，上出風口常會因為施工現場條件惡劣造成積塵過多，其本身散熱量高，要求通風量大，故運行一定時間后，其電路板上（因靜電作用）有積塵，須清潔和檢查；

（3）對所有接線端進行檢查，緊固，防止松動；

（4）經常檢查電源電壓波動程度，改善直流調速器的使用環境和負載波動大的現象，避免大電流對直流調速器沖擊的影響。

5 結束語

SCM900 t.m塔式起重機，在水利水電工程混凝土澆筑及部分金屬結構安裝中，應用越來越廣泛，然而對塔機直流調速器的應用中，只有滿足其設計工作要求和正常使用的各項條件，才能使其長期、安全、穩定地運行；如果在惡劣的工作環境下使用，就要加倍重視直流調速器的日常維護和檢修工作，改善直流調速器的環境和負載波動大的現象，才能保證直流調速器可靠、平穩、安全地發揮其各項性能。

[1]鄧星鐘.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[2]張燕賓.變頻器應用教程[M].北京：機械工業出版社，2007.