造船門式起重機電氣線路的設計要點

朱國興

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院，江蘇 226011）

1 概述

近年來，隨著我國造船事業的發展，需要大噸位門式起重機進行安裝作業,要求作業時平穩、可靠，低速就位性能良好,調速精度要求比較高[1]。

1.1 設計要求

造船門式起重機電氣控制系統的設計有二個方面要求：一是滿足生產機械和工藝的各種控制要求，二是滿足電氣控制系統本身的制造、使用及維修的需要。

1.2 電氣設備組成

電氣設備部分主要由電動機、電器元件和電氣線路組成。控制設備通過控制電器元件和電氣線路來控制電動機，電動機將電能轉變成機械能，通過傳動裝置拖動工作機構按要求完成各種生產動作[2]。

2 電氣線路的設計

2.1 供電

動力回路380V，控制回路和照明回路為220V。整機供電方式采用磁滯式電纜卷筒供電，小車采用懸掛電纜小車式供電。

2.2 電動機

2.2.1 特點

在選擇和使用的電動機時，既要考慮斷續工作的特點，又要考慮頻繁操作的特點。

2.2.2 起重機負載的特點

運行機構的正、反兩個方向均屬阻力負載，電動機在正、反兩個方向都是電動狀態，發出驅動力矩來拖動機構運轉。

升降機構上、下兩方向的負載性質不一樣。升降機構上升時為阻力負載。下降時當負載很輕，其重量克服不了機構的摩擦阻力時，也是阻力負載，對電動機來說，上升和輕負載下降時是電動狀態，產生驅動力矩來拖動機構運轉；升降機構下降時當重負載下降時，由重物拖動機構向下運轉，對電動機來說，處于制動狀態，產生制動力矩來平衡由負載產生的驅動力矩，使重物以穩定的速度下降。

造船門式起重機在室外工作，由于風力的存在，順風時，有可能把運行機構的阻力負載變成動力負載，此時由風力驅動機構運行，電動機處于制動狀態。

2.2.3 起重機常用的下降制動方法

為了使下降的重物能獲得穩定的運行速度，需要使電動機在制動狀態下運行。異步電動機常見的制動方法有再生發電制動、反接制動和單相制動三種。

由于外力的作用使異步電動機的轉速超過其同步轉速時，稱為再生發電制動，電動機的運行狀態象一個與電網并聯的異步發電機，將電能反饋給電網。

電動機被過重的負載倒拉，就會出現反接制動狀態。電動機的轉子被迫逆著旋轉磁場的方向旋轉，轉速為負，轉子中產生更高的感應電動勢。

把三相異步電動機的定子繞組接在單相電源上，也可將三相電源中的任何一相斷開，在轉子電路中串接適當的電阻，如此時電動機由下降的重物帶動旋轉，進入單相制動狀態運行。

3 主令控制器

主令控制器和控制屏一起用來控制電動機的起動、轉向、調速和制動。主令控制器不是直接切換主電路，而是切換電流較小的控制電路。

4 接觸器

接觸器是用來將主電路接通與斷開遠距離控制的電器。用于遠距離控制和頻繁動作，以較小的控制功率控制較大功率的主電路，控制電動機的起動、制動、停止和調速，實現自動保護。

5 電阻器

電阻器在起重機中是用來供電動機起動、制動和調節轉速的—種電器元件，按其用途的不同可分為起動電阻器、制動電阻器和調速電阻器等。

制動電阻：起重機放下重物時，由于重力加速度的原因電動機將處于再生制動狀態，拖動系統的動能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步，應將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內。制動電阻可消耗此能量。

6 變頻器

6.1 調速方法

采用具有矢量控制或直接轉矩控制方式的變頻調速系統。

6.2 制動方法

采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的方法。通過變頻調速系統的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車或吊鉤迅速而準確地將轉速降為0，利用電磁制動器進行機械制動。

6.3 變頻調速系統的控制要點

造船門式起重機的拖動系統的控制動作包括：大車的左右行及速度檔次；小車的前后行和速度檔次；吊鉤的升降及速度等，這些都可以通過PLC可編程控制器進行無觸點控制。

對于“溜鉤”現象方面，可以充分利用變頻器豐富的控制功能，電磁抱閘在接收信號到松開幾秒鐘，因此在抱閘抱住時不能有較高的輸出頻率。從變頻器的功能考慮，可利用變頻器的零轉速150%轉矩輸出功能和預勵磁功能。

6.4 零速全轉矩功能

變頻器可以在速度為零的狀態下，保持電機有足夠大的轉矩，且不需速度反饋裝置。這一功能保證了吊鉤由升、降狀態減速為零時，電動機能夠使重物在空中停住，直到電磁制動器將軸拖住為止，防止溜鉤。

6.5 停止時和起動前的預勵磁功能

變頻器可以在停止時和起動前自動進行直流預勵磁。使電機有足夠大的轉矩，維持重物在空中的停住狀態，以保證在電磁制動器釋放時不會發生“溜鉤”。

7 可編程序控制器

完成系統邏輯控制部分控制電動機的正、反轉、調速等控制信號進入PLC，PLC經處理后，向變頻器發出起停、調速等信號，開始運行。

造船門式起重機主鉤、副鉤、大車、小車由各自的PLC控制，當大主鉤、副鉤、大車、小車電動機運行在電動狀態時，控制過程基本相似，變頻器與PLC之間控制關系在硬件組成以及軟件的實現基本相同。當主鉤電動機運行狀態處于電動、倒拉反接或再生制動狀態，變頻器與PLC之間控制關系在硬件組成以及軟件的實現有區別。

系統軟件設計：通過對PLC進行編程，實現PLC與變頻器信息交換的控制。編程的依據是系統的工作過程。

造船門式起重機小車電路：全部門關好后，緊急開關等符合要求，手柄開關置于零位，按下起動按鈕，接觸器通電吸合，三相電源接通。如速度選擇開關置于速度1檔，電源和電動機接通，1檔速度起動；速度選擇開關置于2檔，2檔速度運行，其余類推。速度開關置于零位或由于停電，電動機停止運行。當發生緊急情況時，立即拉開緊急開關，變頻器緊急停機控制端接通，變頻器將使電動機迅速停機。當電動機過載，熱保護繼電器的觸點接通變頻器外接保護控制端，變頻器停止工作。當小車行走到終端時，兩端各有擋塊，撞上限位開關，切斷小車電路，小車停車并制動。變頻器如發生故障跳閘，當故障被排除，可以起動時，按下復位按鈕，接通復位控制端，使變頻器恢復到正常運行狀態。

控制小車電動機的變頻器輸入控制端的安排：一般門式起重機有多檔速度，調節速度的目的。

8 設計舉例

8.1 造船門式起重機方框圖

如圖1所示。

圖1 造船門式起重機方框圖

圖2 造船門式起重機主起升電路圖

8.2 造船門式起重機主起升電路圖

如圖2所示。

9 結束語

利用PLC控制的變頻調速技術，造船門式起重機拖動系統的各檔速度、加速時間和制動減速時間都可以根據現場情況由變頻器設置調整，此外也可用PLC通訊端或模擬端進行控制。

[1]張質文.起重機設計手冊，中國鐵道出版社。

[2]劉瑞琦.起重運輸機械電氣設備,中國鐵道出版社.