橋式起重機變頻改造通用方案的設計與實施

丁高耀

（寧波市特種設備檢驗研究院，浙江 寧波315048)

橋式起重機大量應用于冶金、機械、化工、輕工、紡織和建材等廣泛領域，對工礦企業提高生產效率和產品質量起到重大的作用。傳統的橋式起重機其電機拖動以轉子串電阻調速方式為主，綜合性能指標較差，在起動電流時容易對電網造成大的沖擊。起重機常在額定速度下進行機械制動，存在著對起重機的機構沖擊大、功率因數低、線路損耗大、總體故障率較高、現場維護量較大等缺點。廣大起重機使用單位都嘗試對電機的拖動方式進行改造，通過運用交流變頻調速技術來改善起重機調速性能，從而達到節能和減少故障率、增加使用安全程度的效果。

如何快速有效地在原有起重機的系統配置下，制定一套行之有效的改造方案，使橋式起重機變頻改造既省時間和費用，又能達到預期的效果，是我們廣大起重機械施工、使用單位一直摸索和追求的方向。為了方便各施工單位迅速掌握橋式起重機變頻改造的流程及要點，我們通過對某公司一臺鑄造起重機的實施變頻改造，總結相關技術經驗，制定以下橋式起重機變頻改造通用方案，供各施工單位及使用單位借鑒。

1 改造依據

改造的依據主要根據以下兩部分進行：

（1）根據起重機使用技術條件，包括用途、環境條件、基本參數性能要求。

（2）依據相關技術標準：GB6067.1-2010《起重機械安全規程 第1部分：總則》、GB/T3811-2008《起重機設計規范》、GB/T14405-2011《通用橋式起重機》、GB5226.2-2002《機械安全機械電氣設備第32部分:起重機械技術條件》、GB/T12668.2-2002《調速電氣傳動系統第2部分：一般要求低壓交流變頻電氣傳動系統額定值的規定》、GB/T21972.1-2008《起重及冶金用變頻調速三相異步電動機技術條件第1部分：YZP系列起重及冶金用變頻調速三相異步電動機》等。

2 改造流程

整個改造過程主要分為三個階段。第一為變頻控制系統設計階段，其首先應根據改造的實際情況設計出起重機變頻調速及控制整套傳動原理圖；然后對主要電氣設備及部件進行設計及選取，其內容主要包括先確定總配電柜、各機構控制柜和操縱臺功能及數量，再具體對各機構應配置的電動機、變頻器、PLC、制動單元及制動電阻等主要電氣設備進行設計和選取。第二為電氣設備及部件采購階段，根據設計的參數、功能及數量，聯系合適的電氣元器件供應商。第三為現場施工及調試階段，首先拆除原有不再利用的電器系統，電動機如仍使用的應進行保養或更換變頻專用電機，再安裝配電柜和各機構控制柜，包括控制柜中的變頻器安裝，然后對其他電氣設備和電器元件進行安裝，并布線連接；安裝完畢后設定變頻器和PLC的參數；最后通電空載和重載調試。具體改造流程圖見圖1。

圖1 變頻改造流程圖

3 控制系統設計

3.1 電氣傳動原理圖設計

一般老舊橋式起重機均采用繞線式切阻電機，噸位小的常采用凸輪直接控制系統，電動機啟動、停止、加速等均由凸輪器中的觸點直接來完成，整臺起重機沒有各機構專用控制屏（無中間接觸器）；而噸位較大起重機常用主令控制系統，通過主令控制器的操縱來控制接觸器吸放，故各機構均配有各自的專用控制屏。

變頻起重機的電氣傳動控制系統主要由變頻器、可編程序控制器控制系統和操作臺組成，通過PLC控制系統處理聯動操作臺的速度給定信號，調節變頻器的輸出相序和頻率來控制驅動電機的方向和轉速，取代原來的傳統繞線型轉子串電阻調速驅動系統。變頻改造后的主起升機構線路一般如圖2所示。

圖2 改造后主起升機構線路圖

主起升機構電機由一臺專用變頻器拖動，通過配編碼器實現閉環矢量控制，變頻器所有的指令均由PLC輸入，為使電氣制動平衡及下降工況發電制動散熱迅速，在變頻器中配置制動單元及制動電阻箱。

大、小車只用一般的變頻調速U/f控制即可，所以大車兩邊的兩臺相同型號電動機只用一臺變頻器拖動，只要變頻器的容量足夠就沒問題。

3.2 主要電氣設備、部件選取及更換

（1）總配電柜

因采用PLC控制，一般應更換總配電柜。總配電柜可以很方便地實現電源斷錯相、短路、過載、各機構極限位置、門聯鎖、超速、緊急停止等保護，并實現超載報警動作等功能。

（2）機構控制屏

改造好各機構變配控制屏，一般起升機構為單獨設置，大小車運行機構根據變頻器配置的大小，可以采用一個控制屏或二個屏分開設置。

（3）操縱臺

變頻調速配套的操縱臺，如原為主令操縱臺，并且檔位（一般為五檔）滿足要求，可以保留；如原為凸輪操縱裝置，應更換為主令控制器。

（4）各機構電動機

起升電動機由于繞線式電動機的電氣特性差，在慢速運行時有大量的能量產生，由于繞線式異步電動機散熱風扇是一體的，在低頻率運轉時達不到散熱效果，所以要在每臺電動機上加一臺單獨控制的微型軸流風機，以達到一定的散熱效果，以避免電動機長時間低轉速所產生的高溫現象。建議：選配YZP系列起重變頻調速專用電動機，該電機配冷卻風扇；新購置的電機功率可以參照原電機的功率，大小車電機由于沒有位移負載，可以采用原來的繞線式電機，只要短接繞線式電機轉子上的電阻即可。

（5）各機構變頻器

1）變頻器控制方式的選擇

由于起重機機構多為恒轉矩負載，故選用帶低速轉矩提升功能的電壓型變頻器。大小車機構慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載，故大小車選用U/f開環控制方式的變頻器；起升機構慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載，為獲得快速的動態響應，實現對轉矩的快速調節，獲得理想的動態性能，通常采用矢量控制方式，采用閉環矢量控制方式可獲得穩定的工作狀態和良好的機械特性。

2）變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇是以電動機的額定功率為依據的。由于繞線轉子異步電動機與通用或其它異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調速時應考慮濾波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉子異步電動機額定電流往往較大，所以選擇時應考慮一定余量。雖然起重機升降機構的轉動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電網電壓波動的因素，以及對起重機1.1倍動載荷檢測要求等因素來選擇起升機構電動機的變頻器容量。大、小車運行機構屬于大慣量負載，其加減時間一般不超過20 s，變頻器的短時過載能力為150%，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當加速時間大于2 min時，變頻器功率選擇應放大些，以此來選擇大、小車運行機構電動機的變頻器容量。

（6）制動單元和制動電阻的選擇

當電動機處于反接制動或再生制動狀態，變頻器內直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過高而使直流過壓保護動作，必須將這部分能量回饋至電網或增設制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。廠商提供與變頻器容量相配套的標準外接制動單元。大車、小車、主副升、降制動單元均選用與變頻器容量相配套的標準外接制動單元。大、小車、主副升、降制動電阻均選用國產變頻器專用制動電阻器。

（7）PLC的選用

根據改造后橋式起重機控制系統的現場輸入，輸出信號的數量及作用，結合改造要求及應用習慣選擇PLC型號規格。橋式起重機拖動系統的控制動作包括：大車的左、右行及速度換檔，小車的前、后行及速度換檔，主、副鉤的升、降及速度換檔等。保護功能有：主、副鉤上升限位、下降限位，大車限位、小車限位，主副鉤及大小車電機的保護等。這些都可通過PLC進行無觸點控制。通過確定輸入與輸出信號的數量從中選取I/O模塊的長度，如原來是PLC控制，改造后其輸入輸出點增加，也可以采用附加擴展模板的形式。

（8）變頻器參數設置要點

1）主令控制器的檔位，實際上是控制電機頻率，一般采用50-40-30-20-10-0-10-20-30-40-50 Hz控制方式，也可根據用戶實際需求，重新設定速度的變化值。

2）橋式起重機控制系統中需要引起注意的是關于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發生重物由于停止狀態下滑而產生溜鉤現象。在這個問題上，主要用變頻器運行參數設置與變頻器的制動單元、制動電阻和液壓制動器的配合而達到完美的效果。

3）自動轉矩提升設置，在調試過程中適當地提高中頻電壓可以改善低頻特性，從而提高啟動轉矩；提高零頻電壓可以加大直流勵磁，使電機保持足夠大的轉矩防止溜鉤。

4）變頻器的加減速時間設置為3～6 s比較合適，時間太短，容易出現過流現象，時間過長，不容易吊物定位。停車方式應設為減速停止。減速時間3 s表示從50 Hz減速到初始頻率的時間。

4 現場施工

（1）拆除原有電器系統。拆除原有系統包括：拆除原有的電氣保護柜，拆除原有操縱臺，拆除原有起升機構電氣控制系統，拆除原有大小車機構電氣控制系統。

（2）原電機部分檢修工作。檢修工作包含：檢查電機繞組部分的絕緣情況，檢查電機軸承并加油。

（3）變頻器的安裝。變頻器的安裝主要包含：起升機構變頻柜安裝及接線，大車運行機構變頻柜安裝及接線以及小車運行機構變頻柜安裝及接線。

（4）新配變頻調速操作臺接線。

（5）進行整機變頻調速系統的單元調試工作。

5 結束語

根據相關技術條件及標準對橋式起重機變頻改造流程進行了擬定，提出其控制系統設計方案，對主要電氣設備、部件選取和更換，變頻器參數設置時的注意事項進行了總結。最后，設計出具體施工步驟，確保實際變頻改造工作的順利開展。