天車電氣系統變頻改造研究

賈艷波 張建樹

（中國二十二冶集團有限公司 機電公司，河北 唐山064000）

1 天車改造前存在問題

在曹妃甸裝備制造廠有 10 臺 20/5 的天車，2 臺 32/5 天車，2 臺16+16 天車。 天車的交流異步電機啟動時沖擊電流大，設備沖擊嚴重，噪聲大，影響設備的使用壽命及定位精度。 同時天車的其他費用也很高，也不節能環保。 所以先對1 臺20/5 的天車進行電氣系統變頻改造看看能否達到業主要求。 20/5 噸天車電氣控制系統的變頻改造，目的在于降低天車的使用成本和提高控制性能。 以此車為例，每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500元左右的設備開支。 在日常運行中可節約30%左右的電量，一年累計可以節省4000 元的電費。 日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。在控制性能方面，與傳統的切電阻系統相比，對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等能夠做到及時準確的檢測，并且能夠自動采取應變措施保護電機；還能快速響應急變負載和及時檢知瞬時功率，實現最短時間內平穩地加減速，讓電機具有很快的動態響應，并且實現無級調速，提高了控制精度。

天車傳統控制系統的構成、存在的問題及產生的原因：

1.1 天車主令控制系統的構成

原設計起重機電氣元件構造由大車、小車、主起升、副起升、照明及警報系統構成。 具體元件有主回路進線開關（隔離開關、空氣開關），主進線控制接觸器，照明變壓器，腳踏開關、電鈴，控制開關，主回路及分子回路的過熱元件，主令控制箱，電機、抱閘及轉子切換電阻器。 原切換方式為主令切除轉子電阻， 從而控制電機轉速。 保護系統是通過限位控制主進線接觸器達到保護目的。

1.2 傳統控制系統容易出現的問題

（1）起動電流過大，對電網沖擊大；

（2）機械設備使用壽命過短， 電機連軸器、 鋼繩等機械易磨損；

（3）接觸器、繼電器等電器元件的觸頭、線圈經常燒壞；

（4）電動機故障率高。 而維修起重機屬于高空作業， 極不方便， 而且起重機故障很大程度上影響了生產進度。

1.3 產生故障的原因

（1）拖動電動機容量大， 起動時電流對電網沖擊大， 而且電動機一直在額定轉矩下工作， 電能浪費嚴重。

（2）天車升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負載，機械沖擊也較大，機械設備使用壽命縮短，操作人員的安全系數較差，設備運行可靠性較低。

（3）天車每天需進行大量的搬運工作，由于繞線式電機調速是通過電氣驅動系統中的主要控制元件——交流接觸器并通過繼電器來接入和斷開電動機轉子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態下，容易燒壞觸頭和線圈。同時因工作環境惡劣，轉子回路串接的銅電阻因灰塵、設備振動等原因經常燒壞、斷裂。因而設備故障率比較高，維修工作量比較大。 同樣小車、大車的運轉也存在上述問題。

（4）在天車起升的瞬間，升降電動機有時會受力不均勻，易過載，直接造成電機損壞或者鋼絲繩斷裂。

（5）為適應天車的工況，操作人員經常性的反復操作，導致起重機的電器元件和電動機始終處于大電流工作狀態，降低了電器元件和電動機的使用壽命。

2 天車電氣系統變頻改造后的構造及優勢

2.1 天車電氣系統變頻改造后的構造

原設計控制方式有原來的主令切電阻調速，改成變頻調速。 原電機的轉子星點短封，同時在主鉤、副鉤、大車、小車主回路系統增加4臺變頻器，各變頻器進線端加增足夠容量的空氣開關。 原主令控制器線路一組正反切換接點、 主令電阻切除接點更改到變頻控制單元模塊。 其中正反轉主令取正反兩接點接入變頻的正反控制，在變頻設置中設定輸入端子為正反控制輸出。 從主令控制器中可看出原設計有4段速，把主令接點引入到變頻頻段控制端子，考慮到使用需要，在變頻器中設定3 段速度就可以，分別為10、25、45HZ。這在低速的穩定和高速的行駛中能確保安全，同時也使電機運行曲線更平滑，機械設備更穩定。由于變頻器有熱保護功能，為了節省空間，原設計主鉤、副鉤、小車過熱取消，大車變頻器由于是帶兩臺電機，變頻的熱保護功能不能實現分別保護兩臺電機的功能，所有大車熱保護繼續投入運行系統對于抱閘系統的控制，增加4 個抱閘控制接觸器。 起升回路通過變頻器的多功能接點輸出，控制抱閘啟停。 對于行走回路可以使用主令控制器的另組接點控制抱閘的吸合，也可以通過變頻器的多功能接點輸出控制。 由于變頻器不可以頻繁啟停動作，建議將原設計的限位串聯到給變頻的正反控制回路中。 當然在限位不經常動作的使用環境，考慮到要盡少的變更原設計的問題，可以在保證不頻繁動作限位的情況下不更改限位回路，也就是通過限位控制主回路進線接觸器從而實現限位保護。 所示圖1 主電源控制系統。

圖1 主電源控制系統

圖2 主、副鉤及大車電氣控制系統

圖3 小車電氣控制系統

圖4 主令接線圖

針對轉子切電阻電氣系統中的不足，首先應該改進的是交流電動機的調速方式，改進過程當中首選變頻調速方式。因為變頻調速控制系統具有以下幾個優點：

（1）變頻器調速控制系統的保護功能強

使用變頻器控制電機的運行，可以進行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態響應并且實現無級調速；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時準確的檢測而自動采取應變措施保護電機；

（2）工作可靠性顯著提高

原拖動系統是在運動的狀態下進行抱閘的，采用變頻調速后，可以在基本停住的狀態下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

控制系統的故障率大為下降 原系統是由于十分復雜的接觸器、繼電器系統進行控制的，故障率較高。 采用了變頻調速控制系統后，控制系統大大簡化，可靠性大為提高；停電減速功能 可以在意外停電時使起重機減速停止，消除了突然停車所帶來的隱患。

（3）節能效果十分可觀

繞線轉子異步電動機在低速運行時， 轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。采用變頻調速系統后，外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約， 而且在電機頻繁的啟動中。 這樣，每小時節省的電費相當可觀。

（4）調速質量明顯提高

采用了變頻調速系統后，調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。

3 改造后的工作報告

在曹妃甸裝備制造廠正式投入使用， 得到了業主的高度贊許。 如圖5 所示。

3.1 在節能方面

系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統的功率因數和整機工作效率， 節能效果顯著，平均節電率可達30%以上，一年累計可以節省4000 元的電費。每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500 元左右的設備開支。 日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。

3.2 在控制性能方面

與傳統的切電阻系統相比，天車采用變頻控制后使整機性能有較大的提高.如起升行走平滑，穩定，被吊物件定位準確.根據需要上下，前后，左右，操作都可以無級變速，適應各種實用場合，加上變頻器自身保護功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了天車故障，提高了安全性能。同時變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊，有利于車間內其它設備正常運行。 有如下優點：

圖5 變頻改造完成后的控制柜

（1）速范圍寬，可實現有精確控制定位要求的作業；

（2）軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；

（3）高集成度組件及高可靠性低壓電器，有效解決原電氣系統接線復雜問題，不僅降低了系統故障機率，而且易維護；

（4）電動機在低速時，能200%力矩輸出，即使制動器松動或失靈時，也不會出現重物下滑，確保系統安全可靠；

（5）具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能；

（6）采用變頻調速系統后，可完全杜絕操作人員違章操作。

通過此次20/5 噸變頻天車改造， 進一步鍛煉了自身的設計與施工能力，加強了技術與人員儲備，為下一步在天車變頻改造領域開拓市場奠定了良好基礎。本次技術改造是將大車、小車、主鉤和副鉤系統全部改成變頻，當然也可以根據需要，單獨對大車、小車、主鉤和副鉤系統中任意部分進行改造。 相對來說，變頻控制對我們來說是一種投資較大、回報較慢的新興技術，但是從長遠來說，日積月累，節省的開支相當可觀：在相同的使用條件下，可以節省30%左右的電量。 而且，可以節省大量的人工維護費用。