變頻器在起重機制動器失效保護中的應用

熊良勇

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024)

0 引言

起重機設備是現代工業生產不可缺少的設備，廣泛運用于各種物料的搬運中。制動器是起重機上一個非常重要的部件，一般安裝在電動機的轉軸上，用來使起重機各機構準確可靠地停在指定位置上，在起重機的正常使用中發揮著關鍵作用。一旦制動器失效，吊物便會發生溜鉤，輕則砸壞設備，重則傷及人身安全，后果十分嚴重。實際生產中，由于制動器磨損嚴重，或者制動器主要零件損壞、彈簧失靈、電磁鐵卡住、銜鐵和水平杠桿脫落等原因，都會導致起重機在作業過程中出現制動器失效的故障。制動器作為起重機安全保護的最后一道屏障，一旦在作業時失效，從機械方面來看，對于即將發生的危險沒有任何補救的措施。但利用變頻器的零速懸停功能可實現將負載懸停在空中。本文通過一個工程實例，介紹如何通過電氣方法來檢測制動器失效，利用S120變頻器的零速懸停功能來保持重物，并通過聲光報警裝置及時提醒操作維護人員。

1 起升機構機械傳動結構及參數

本文分析的起重機起升機構的額定吊重為90 t，起升機構機械傳動結構如圖1所示。電機經聯軸器帶動減速機，然后減速機帶動雙卷筒，卷筒通過纏繞鋼絲繩提升重物。

起升機構額定起重量為90 t，起升速度為30 m/min。主提升電機型號為RH500L8，S1-100%工作制下額定電壓為660 V，額定功率為630 kW，額定電流為688 A，額定轉速為746 r/min，電動機非驅動軸端帶測速編碼器和強制冷卻風扇。

2 起升機構電氣傳動結構及控制系統

起升機構程序控制單元采用西門子PLC，電氣傳動裝置采用西門子S120變頻器，變頻器型號為6SL3320-1TG38-1AA3，額定功率為800 kW，額定電流為810 A。起升機構具體電氣傳動及控制結構見圖2。

圖1 起升機構機械傳動結構

圖2 起升機構電氣傳動及控制結構

3 起升機構變頻器配置要求

起升機構變頻器的配置必須滿足以下要求：

IH≥IN，

Imax≥Ist.

其中：IH為變頻器重載連續輸出電流;IN為電機額定電流;Imax為變頻器最大輸出電流;Ist為電機啟動電流，一般Ist=2IN。

變頻器必須采用閉環矢量控制方式，采用這種方式一方面可以使變頻器在零速下仍能輸出額定轉矩，另一方面可以利用電機非驅動軸端測速編碼器的反饋速度來判斷制動器是否失效，在制動器已經抱閘的情況下，如果電機測速編碼器反饋回來的轉速值不為零，則認為制動器失效。

對于主提升電機，為了保證由于零速懸停時間過長，電機不出現過熱的情況，必須采用強迫風冷。

4 S120變頻器參數設置

為了保證控制系統在檢測到制動器失效之后，S120變頻器能將重物懸停在空中，S120變頻器必須能在很短的時間內快速輸出大轉矩。根據變頻器驅動電機的啟動過程，如果先經過勵磁(勵磁時間一般為0.5 s～1.5 s)再輸出轉矩，則轉矩輸出會很不及時，在重物下溜速度很快后變頻器所輸出的力矩已經很難阻止重物的繼續下降，甚至變頻器本身可能會出現過電流故障而封鎖輸出，最終無法將重物懸停在空中，因此必須對S120變頻器的應用參數進行特別的設置。具體參數設置主要包括如下三部分：

(1) S120變頻器控制參數的設置。在本次應用中，我們通過Profibus DP通訊控制S120變頻器控制字的Bit0、Bit3和Bit6來達到短時間內快速輸出大轉矩的目的。其中：Bit0對應參數P840，為變頻器啟停；Bit3對應參數P852，為變頻器運行使能；Bit6對應參數P856，為變頻器速度給定使能。

當系統上電自檢正常后，首先將控制字的Bit0置1，該位為脈沖使能位，變頻器啟動時同時置位Bit3和Bit6，使變頻器按照正常的速度給定曲線加速，停止后，首先復位控制字Bit6，封鎖速度給定使能，使電機按減速曲線減速，直至速度降為0，同時輸出制動器關閉信號，在制動器抱閘完成后延時30 s再復位控制字Bit3和Bit0，封鎖S120變頻器輸出。這樣就能保證電機在制動器抱閘后30 s內一直保持勵磁狀態，一旦在這30 s內檢測到制動器失效故障，則立即置位Bit6，使能速度給定，此時因為電機已經勵磁，變頻器會快速輸出一個力矩，同時輸出制動器打開信號，打開制動器，并將已經出現溜鉤趨勢的重物懸掛在空中。變頻器Bit0=1、Bit3=1、Bit6=0時的狀態曲線如圖3所示。

從圖3中可以看到:在Bit0=1、Bit3=1時，Bit6由1變為0，變頻器開始減速，當速度下降到零時，制動器打開命令由1變0，制動器開始抱閘，抱閘過程中變頻器一直輸出轉矩，抱閘完成后變頻器輸出轉矩變為零，此時變頻器仍然輸出電流，電機處于勵磁狀態。

(2) 變頻器過程狀態字設置。設置參數P2051[1](過程狀態字2)=r63[1](速度實際值)來獲取電機測速編碼器所測得的轉速實際值。變頻器過程狀態字參數設置頁面見圖4。

圖3 變頻器Bit0=1、Bit3=1、Bit6=0時的狀態曲線

圖4 變頻器過程狀態字參數設置頁面

(3) 變頻器制動器控制功能參數設置。首先設置開閘電流P1220=r68、P1221=35%,保證勵磁完成后輸出制動器開閘信號；然后設置關閘速度P1225=r63、P1226=10；最后設置P1220=r2090.6、P1275.02=1，保證電機減速到零后輸出關閉抱閘信號。制動器參數設置界面如圖5所示。

圖5 制動器參數設置界面

5 PLC程序控制邏輯

設置好S120變頻器參數后，還需要編寫相應的PLC控制程序，其控制程序流程如圖6所示。在起升機構已經停止運行的條件下，判斷電機是否還有下降方向的轉速，如果有且大于5 r/min，則認為制動器失效，制動力矩不足，無法完全支撐負載使之保持靜止狀態。這時程序首先置位Bit6=1,因為每次起升機構停止時Bit0和Bit3在30 s內(根據日常使用經驗判斷，如果起升機構在停止后30 s之內沒有出現溜鉤，則認為制動器有效)會保持為1，這時只需要將Bit6置1，變頻器會立即輸出一個大的力矩，將開始下溜速度較慢的負載懸停在空中。

6 試驗驗證及應用

在正確設置了西門子S120變頻器的參數和編寫了相應的控制程序后，為了測試使用效果做了如下試驗：在起升機構起吊額定載荷停在離地300 mm的距離后，人為調整制動器，模仿制動器過度磨損制動力矩不足的情況，觀察變頻器能否及時有效地輸出轉矩來保持負載。經過測試，該系統能完美地將重物保持在空中，并很快達到穩定，且保持時間達30 min。試驗

過程中零速懸停時變頻器的狀態曲線如圖7所示。

圖6 PLC控制程序流程

從圖7中可以看出：當制動器失效時，雖然變頻器速度給定值為零，但是電機編碼器反饋值卻為負，系統據此判斷出制動器失效，然后立即將變頻器Bit6置1，此時變頻器迅速輸出一個大的轉矩，經過內部短暫調節后，變頻器輸出轉矩與負載轉矩達到平衡，最終將負載保持在空中靜止，試驗懸停時間為30 min，30 min后電機由于采用強迫風冷，溫度正常。試驗完成后，該功能順利投入應用，為起重機的安全運行又上了一道保險。

7 結語

近年來，起重機時常出現由于制動器維護不到位導致失效繼而引發溜鉤事故的案例。設置并應用西門子S120變頻器的零速懸停功能，能有效地減少由此類原因引起的溜鉤事故。變頻器和電機的選型配置、變

頻器控制方式及參數設置、PLC控制程序是保證該功能能否成功的關鍵點。我們在S120變頻器上已經實現了該功能的應用，今后還會在其他更多品牌的變頻器上實現該功能的應用，成功使用該功能為起重機安全運行保駕護航。