在用行車拖動系統的改造

趙惇良， 孫 寧

(西門子制造工程中心有限公司，上海 201908)

0 引言

傳統行車拖動系統多采用三相繞線轉子異步電機轉子串電阻起動方式，該起動方式的缺點如下:

(1)屬有級調速，通過在若干條特性曲線之間切換來實現起動和調速。，整個起動過程有好幾個加速段，從一條特性過渡到另一條特性時，開始加速度較高，以后逐漸減小，再過渡到第三條特性時，加速度又有類似變化，這樣，在從較低速轉為較高速的過程中，過渡不太平穩。

(2)經改變定子相序實現逆轉和反接制動，需要用接觸器或凸輪控制器來改變主電源相序。

(3)由于轉差功率和反接制動功率消耗在電阻上，功耗大、效率低。

(4)機械特性軟，負載稍有變化即引起轉速大幅波動。

(5)日常維護工作量大，凸輪控制器、主令控制器、接觸器需要定期檢查和調整觸頭的開距、超程、壓力和動作一致性;需要定期檢查電阻體因長期發熱引起的氧化損耗狀況并調整和修復，需要定期檢查絕緣部件是否正常并修復，另外還需要定期清潔電阻體表面以利散熱。

1 利用變頻器和PLC對行車拖動系統實施改造

采用變頻器起動方式替換轉子串電阻起動方式可基本消除以上這些缺點。

1．1 變頻器起動方案的特點

(1)用模擬量信號做給定可實現無級調速，用開關量信號做給定可實現有級調速。即便是有級調速，也可以通過設置變頻器的有關參數，使各段特性之間的過渡極為平滑。

(2)通過改變開關量信號輸入即可實現逆轉，而不必通過在主回路上換相來改變電機轉向。

(3)由于速度的變化極為平滑，轉差功率很小，只有反接制動時，位能功率回饋到直流母線，消耗在電阻上，故節能效果相當可觀，效率較高。

(4)各頻率下的機械特性與固有特性基本平行，硬度基本不變，抗負載波動能力很強，與固有特性相似。

(5)日常維護工作量很小，只要保持變頻器進出風口清潔暢通即可。主令電器因為都是毫安級電流通斷，不存在觸頭發熱磨損的情況，所以性能變化可忽略。

1．2 改造方案

1.2.1 改造方案總體要求

(1)改造后行車操作人員無須培訓，按照原來的習慣即可操作，即主要操作機構保持原來的操作方式，大車、小車仍用凸輪控制器控制，吊鉤仍用主令控制器控制。

(2)改造應堅持節約原則，能用的設備盡量利用，不能利用的設備如經簡單改造能利用的也要利用，如電機、保護電器和主令電器等。

(3)大車、小車和吊鉤的運行最高速度與原來相同，只是起動、停止和速度轉換比原來平滑。

(4)維護工作簡單，排除故障容易。

1.2.2 改造方案實施內容

(1)將繞線轉子異步電機改為籠型異步電機，原來的繞線轉子異步電機不必廢棄，而是加工，將轉子回路三相滑環短接起來即可。

(2)取消大車、小車和吊鉤電機轉子回路的起動電阻及其起動、制動和調速控制線路，改用變頻器控制線路來承擔并改善這些功能。

(3)利用PLC構建新的控制線路，代替原來的繼電器控制線路。

(4)凸輪控制器和主令控制器應適應變頻器要求的二進制編碼選擇頻率的數字輸入接法，請生產廠家改變接點真值表方案，實質就是改變其中的凸輪片形狀。

(5)改變行車原來的抱閘方式，使大車、小車和吊鉤運行速度降到合適值時才合上抱閘。

1．3 變頻器的選擇

MICROMASTER 440屬于西門子公司第四代通用系列變頻器。它適用于多種調速驅動裝置，尤其適用于起重機械。其額定功率范圍從120 W～200 kW(恒轉矩控制方式)。它具有3組開關量輸出，2個模擬量輸出，6個帶隔離的開關量輸入，2個模擬量輸入，這些輸入輸出點均可自由設置。它具有矢量控制功能、U/f控制功能、快速電流限制(FCL)功能(避免運行中不應有的跳閘)，加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能(在有級調速時，以勻加速從一種速度過渡到另一種速度)，具有內置制動單元。

MICROMASTER 440型變頻器完全適合于行車負載的特點，因此決定將其應用到本行車改造中，采用矢量控制方式，實現精確的速度控制，并為此配置制動電阻，采用能耗制動方式實現了起升系統的制動。

1．4 單機控制原理

現在以小車控制為例，介紹單機控制原理，圖1為用MICROMASTER 440變頻器控制的電氣原理圖。圖中SAX為帶二進制編碼的凸輪控制器，除用作轉向和頻率給定，還將小車向前、向后和零位狀態送到PLC，按鈕SBX用作變頻器復位，變頻器故障信號和運行信號也送到PLC，供PLC程序利用，KMX為抱閘接觸器，RX為制動電阻;XT為抱閘;FUX為快速熔斷器，用于保護變頻器。

1.4.1 頻率給定

因本行車拖動系統改造仍延用凸輪控制器和主令控制器操作方式，所以將凸輪控制器和主令控制器的觸頭按照二進制編碼組合作為變頻器開關量輸入，以此來選擇頻率(電機速度)。大車、小車每個方向有5檔速度，吊鉤每個方向有6檔速度，所以利用控制器的3個觸點組成8種組合(23=8)，可以滿足要求。

1.4.2 電氣制動

當激活變頻器能耗制動功能時，電機回饋到直流母線的能量將通過外接制動電阻轉換成熱能。變頻器內部有制動控制裝置，根據直流母線電壓值超過安全值的幅度，以一定的占空比導通電子開關，以此來控制輸出到外接制動電阻上的功率。

1.4.3 抱閘控制

用MICROMASTER 440變頻器控制電機時，有兩種類型的停車指令，一種類型(OFF2)的停車指令發出后，不管電機運行狀態如何，抱閘立即合閘;另一種類型(OFF1和OFF3)的停車指令發出后，先將電源頻率降低到預先設定的值，再將抱閘合閘，然后將電源頻率降低到零。起動時，將電源頻率從零提高到預先設定的值，再將抱閘松閘，將電源頻率升高到希望值，此均由一個可編程的開關量輸出信號控制抱閘接觸器執行合閘動作。

1.4.4 撞限位停車

用原來的控制方式，運動機構撞到限位后，整個行車的主回路電源都將中斷，不能執行任何操作，而且，要恢復供電，必須使所有的運動機構重置零位，才能重新送電。由于變頻器控制的靈活性，用現在的控制方式，運動機構撞到限位后，只停止撞限位機構的運動，不會中斷主回路電源，而且，反方向運動完全不受影響。實現的方法是，設置變頻器的一個開關量輸入為外部信號觸發跳閘，再把撞限位信號與運動方向信號加到這個開關量輸入端。當運動機構以某一方向撞到限位停車后，反方向操作控制器即可解除變頻器跳閘信號。

圖1 單機控制原理圖

1．5 控制系統的構成

采用變頻器的行車主回路原理圖如圖2所示。供電部分由斷路器和接觸器組成。斷路器用作行車控制裝置的保護電器，擔任行車控制裝置總過載保護和短路保護。接觸器用作行車控制裝置的總電源控制開關。

小車、大車和吊鉤各有一套變頻驅動線路，用以控制各自的拖動電機。每套線路各含變頻器一臺、變頻器保護用快速熔斷器三個、制動電阻一個、抱閘接觸器一個。其中大車線路兩臺電機用一臺變頻器驅動，兩個抱閘也用一個接觸器控制。

每套線路還含凸輪控制器一個(小車、大車)或主令控制器一個(吊鉤)，用以控制各機構的運動。一個按鈕用于變頻器故障跳閘后的復位。

三套變頻驅動線路由一路控制電源(含一個整流電源)供電和保護。

總控制由一個PLC承擔，其任務包括:運行狀態信號和故障信號的采集、處理和發送、總電源控制、運動機構碰限停車指令。

1．6 總控制原理

在通電以前，操作艙門、橫梁欄桿上的兩扇門必須關上，防止在電源沒有斷開的情況下，人從操作艙走出，或者人走出欄桿，來到滑觸線附近，發生人身觸電事故。另外，為避免通電后運動機構突然起動而產生沖擊造成事故，必須在通電以前將所有的凸輪控制器和指令控制器放到零位。

小車向前(向后)如果碰到限位開關，將使變頻器跳閘，使小車停止繼續向前(向后)。但這時改變運動方向，起動和運動將不受影響。大車和吊鉤的控制也具有相同的功能，只是吊鉤僅設有向上的限位開關。

為了使操作人員了解相關狀態，行車控制裝置操作盤上裝設了通電狀態、各運動機構運動位置、運動方向、變頻器故障等指示燈。并且為了確保不因指示燈偶然失效導致錯誤信息發出，設置了試燈線路，當按下試燈按鈕時，所有指示燈均亮起，哪個失效便能一目了然。

圖2 采用變頻器的行車主回路原理圖

2 結語

本改造方案是對在用設備的改造，原則是保持改造前的操作方式，同時要厲行節約，盡量利用原有電器設備，新類型電器設備的選用也應掌握盡量降低改造成本的主旨，評價時應充分考慮到這些因素。本改造方案在以下方面取得了明顯收益:

(1)優化動態性能。改造前，由于轉子串電阻致使電機機械特性軟化造成轉速不穩定，改造后，電機機械特性由具有基本恒定轉差率的平行特性取代，特性硬度與固有特性硬度相似。改造前，由于切換電阻產生不可控加速度造成機械沖擊，改造后，各檔速度之間都可設置平穩過渡段，大大降低了機械沖擊的強度。

(2)降低功耗。改造后，小車、大車和吊鉤的起動、調速、停車和轉向時的轉差功率損耗有了極大的降低，改造后的功率損耗主要產生在吊鉤的位能負載下降時的能耗制動上。

(3)降低故障發生率。改造前，由于控制線路復雜，導線連接點多，大電流觸點多，造成故障多。改造后，應用PLC，導線連接點少，調試簡單，可靠性增加。主回路應用變頻器，無大電流觸點。

［1］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京:機械工業出版社，2007.

［2］張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［3］喻士林，吳健雄，竺子芳.電氣傳動自動化技術手冊［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［4］西門子電氣傳動有限公司.MICROMASTER 440使用說明書［G］.2006.