冶金起重機起升機構備用電氣控制系統改進

王劍超

（太原市晉陽湖管理處，太原 030021）

0 引言

冶金起重機吊運的是高溫液態金屬，當起重機的起升機構出現故障不能工作時，液態金屬將凝固［1］，給設備帶來損失的同時，也極大降低生產效率。因此，冶金起重機在要求高安全性的同時，也要求高可靠性。這就要求電氣控制系統在失效情況下，要有另外一套備用系統（或稱為冗余系統）能夠快速可靠地投入，以使起重機能夠完成當次工作循環。

現在很多大中型冶金起重機的電氣主回路使用定子調壓［2］方式作為各機構的主回路。定子調壓系統控制繞線電機具有電機啟動轉矩大、響應快、惡劣環境適應性高、控制系統簡單易維護等特點。工業上，常用另一套完整的調壓裝置或者利用調壓電阻實現轉子切電阻控制方式作為備用系統，如圖1 ～2所示。

圖1 使用調壓系統作為備用回路的單線圖

圖2 使用轉子切電阻方式作為備用回路的單線圖

使用調壓系統作為備用回路，需要加裝與原系統相同的電氣控制設備，其中整流調壓裝置的價格昂貴，使用這樣的備用系統，會使用戶的一次性投入成本極大增加。同時，利用相同的系統作為主、備用回路，使得遇到相似的故障時備用系統重復故障的概率增加。利用轉子切電阻系統作為備用系統的一般設計方法是下降時不設置低速擋，利用主回路的轉子調壓電阻［3］，此時電機運行在回饋制動狀態，重物在下降時電機處于超同步運行狀態。沒有低速擋位會導致高速下降時啟停起升機構對負載和起升機構的機械結構產生沖擊。冶金起重機在鋼包滿載運行時，沒有低速調整擋位會使操作者感到不便，不能準確定位；同時滿載鋼包突然加減速也會使生產現場的危險性極大增加；再者，由于煉鋼現場生產繁忙、工況復雜、突發事件多，經常遇到在設備應急使用后還需要再次滿負荷重復使用設備的情況，因此要求備用系統具有多次額外的應急使用能力。

本文所述備用方案在通用設計利用調壓電阻實現轉子串電阻調速的基礎上，再增加一段電阻，通過改進系統的機械特性曲線，增加一個下降低速擋，實現設備滿載時的要求。增加了下降低速擋，能夠使操作者在短時間內對起升機構進行低速調整，在實現負載精確定位的同時，能夠有效減少機械結構的沖擊，給操作者帶來極大的便利，同時增加了安全性。

1 起升機構機械電氣結構

1.1 機械結構

本文案例的起升機構機械結構如圖3 所示。減速機使用的是棘輪棘爪減速機［4］。

圖3 起升機構機械結構圖

1.2 起升機構備用電氣回路結構

本例中，起升機構改進的備用電氣傳動結構如圖4 所示。CB1為斷路器；Q2為隔離開關；KM1、KM2 分別為機械互鎖的主接觸器；KM11、KM12、KM13、KM14 分別為轉子接觸器；R1、R2、R3、R4、R5分別為接入轉子回路的電阻，EP1為中性點。

圖4 起升機構的改進備用電氣回路

2 備用系統的設計理論及設計方案

2.1 備用系統上升時設計方案

備用回路機構上升時分為3 擋，調速曲線如圖5 所示。運行時，定子側閉合K01 接觸器，轉子側分別閉合K14、K13、K12、K11接觸器，分別實現1～4 擋調速。電機在任意一擋上可以實現長時間運行。點A 為起升電機在滿載時高速穩定運行點。

圖5 上升時備用系統的機械特性曲線

2.2 備用系統下降時設計方案

備用系統下降時設計為兩擋，一擋是低速調整擋位；二擋是高速下降擋位。

2.2.1 下降高速檔設計方案

高速下降時反向接觸器KM2吸合，電機運行于回饋制動狀態。為了保證電機運行轉速盡可能低，要求接入電機的轉子電阻盡可能小。因此在高速檔運行過程中，要求圖4 中吸合KM11接觸器，只串入R1電阻，起到平衡三相電阻、穩定電機的超同步運行作用。下降高速擋的電機機械特性曲線如圖6所示。滿載下降時電機的負載特性曲線和高速下降擋電機機械特性曲線交匯于點B，說明穩態時電機運行于點B，對應轉速標幺值為1.06。

圖6 備用系統下降高速的機械特性曲線

圖7 備用系統下降一擋的機械特性曲線

2.2.2 下降低速擋設計方案

下降低速擋是新增加的擋位，該擋位的設計要求如下。

（1）下降低速擋要求滿載時電機穩定運行速度盡可能低，使滿載時調速效果明顯。

（2）考慮備用系統時，下降一擋應用于盡可能低重量的負載，以使下降低速擋的應用范圍盡可能寬。這與第一條是相互制約的，要求設計者在根據現場情況下，設計電阻時要有所平衡。

（3）在高低擋位切換時，動態切換轉矩必須小于2.5 倍的電機額定轉矩，以免動態轉矩超過電機破斷轉矩，造成電機失速。

（4）設計人員在控制系統達到性能時要考慮整臺設備的經濟性、容量、占地等現場綜合情況?？刂葡到y的設計不是線性的，需要綜合考慮各方面要求，最終的結果是一個相互妥協的過程。

如圖7所示，點C是下降一擋曲線和滿載下降曲線的交叉點，代表滿載時下降一擋穩定運行點。點D是下降一擋和橫軸的交叉點，代表電機轉速為0（電機堵轉）時的力矩標幺值。

根據第一條設計要求，要求點C的縱坐標盡可能小，這樣會導致點D 的橫坐標變大，電機的機械特性曲線也就越硬。點D的橫坐標越大，意味著下降一擋適用的負載范圍越小，這有悖于第二條設計要求?，F場起重設備起吊的物品種類很多，重量也不盡相同，所以對于使用者來說，點D 橫坐標越小，日常工作中的便捷性越大。綜合考慮第一點和第二點，選擇如圖7所示的下降一擋機械特性曲線，即下降一擋的堵轉轉矩標幺值為0.38。備用下降一擋適用于大于38%的電機額定負載，同時在起升機構滿載時，下降一擋的穩定轉速為71%的電機同步轉速。選擇這條曲線，能夠在電機滿載時，提供一個有效的低速擋位，同時，在起吊重量超過38%的電機額定起升重量的情況下，下降一擋都能夠正常使用。

設計時還要考慮其他因素，點D 橫坐標的絕對值選擇過小，除了滿載時轉速會變得很大以外，還會增大電阻值R5。越大功率的電機，轉子的電流越大，這就要求設計時選用具有高通電持續率的電阻片，高通電持續率的電阻片每片電阻的阻值小。R5阻值變大，同時每片電阻阻值變小，意味著總的電阻片數量增加。電阻片的增加意味著設備空間增加和成本增加。R5是本設計方案中新加的電阻，綜合考慮上述因素，選定R5的通電持續率為17.5%，在點D 橫坐標為0.38時，R5使用的電阻片數量已經占原電阻片數量的一半以上。下降一擋時，電機處于倒拉反轉運行狀態［5］。為了實現低速檔的切換，要求電機運行時KM1吸合，其余接觸器不吸合。

3 主電路電阻器參數計算

3.1 R1～R4 電阻計算

根據以上所述，R1、R2、R3、R4電阻使用原來相應調壓系統的電阻參數，分別為詳見調壓系統的參數手冊［6］。

3.2 R5 電阻計算

R5電阻計算理論來源于文獻［7］和文獻［8］，需要根據圖7計算。從圖7中得出，設計人員選定的點D橫坐標為0.38，點D即堵轉轉矩標幺值TN*。根據式（1）可得R*＝2.63。

R*為轉子串入總電阻值標幺值：

由式（2）可得：

4 程序控制流程圖

備用回路的PLC程序控制流程如圖8所示。

圖8 備用系統PLC程序控制流程圖

5 備用系統現場安裝情況

備用系統的硬件現場安裝如圖9 ～10所示。

圖9 備用回路定子側控制屏

圖10 備用回路轉子側控制屏

6 結束語

本設計方案解決了傳統備用回路中下降沒有低速擋位的問題。通過使用改進的設計方案，用戶在使用下降低速擋時能夠對重物進行準確定位，同時減少重物高速運行突然制動時對機械結構的沖擊。系統設計時考慮了經濟型，為用戶減少了一次性成本投入。