1 概述

橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機(jī)械，我廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)有多臺(tái)橋式起重機(jī)，工作量大，使用頻繁。橋式起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)多采用繞線式交流異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入多段外接電阻調(diào)速，采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。這種控制系統(tǒng)主要缺點(diǎn)是:

1)大車、小車、吊鉤升降、開閉拖動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用變阻調(diào)速，運(yùn)行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質(zhì)，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生，又制成柵狀，高溫時(shí)易彎曲變形造成短路事故。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。

3)由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中粉塵、有害氣體對(duì)電動(dòng)機(jī)集電環(huán)、繼電器的腐蝕，再加上繼電器、接觸器控制系統(tǒng)切換頻繁，起動(dòng)時(shí)，沖擊電流大，因此觸頭燒損、電刷冒火、電動(dòng)機(jī)燒損故障時(shí)有發(fā)生，故障率高。

4)調(diào)速平滑性差，對(duì)減速機(jī)、連軸器、鋼絲繩的機(jī)械沖擊大，影響使用壽命。

5)系統(tǒng)抱閘是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)制動(dòng)器損害很大，閘皮磨損嚴(yán)重。

隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和軟件技術(shù)的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機(jī)上應(yīng)用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的抓斗的升降、開閉，小車和大車機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和精確性。

2 變頻調(diào)速改造方案

對(duì)擔(dān)負(fù)我廠9臺(tái)鍋爐和6臺(tái)造氣爐原料煤上料工作的3#吊車(10 t 橋式起重機(jī))的大、小車電力拖動(dòng)系統(tǒng)，吊鉤升降、開閉電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，以改善其操作性能、降低故障率。橋式起重機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

2.1 變頻調(diào)速改造方案設(shè)計(jì)

10 t橋式起重機(jī)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)為：大車電動(dòng)機(jī)2 臺(tái)，額定功率2×11 kW;小車電動(dòng)機(jī)1 臺(tái)，額定功率15 kW;提升電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，額定功率37 kW;開閉電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，額定功率37 kW。改造的具體設(shè)計(jì)方案是:

1)電動(dòng)機(jī)采用原有的，即大車的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，其他的繞線式異步電動(dòng)機(jī)保持不變。

2)用4 臺(tái)變頻器來(lái)控制5 臺(tái)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)與變頻調(diào)速，主電路電氣原理框圖如圖1所示。

3)電氣控制系統(tǒng)中原各電氣控制柜和繼電器、接觸器一律取消，更換為新電氣控制柜，變頻器采用的是日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B 系列起重專用變頻器。

4)調(diào)速方式采用具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速分擋調(diào)節(jié)。

5)制動(dòng)方式采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方式。運(yùn)行(重物下降)時(shí)，采取在變頻器直流回路內(nèi)接入制動(dòng)電阻的方式消耗掉再生的電能，把運(yùn)行的大、小車和吊鉤迅速而準(zhǔn)確地停止住(速降為0)。吊鉤作業(yè)時(shí)，常常有將重物在半空中停留一段時(shí)間的現(xiàn)象(如重物在空中平移或突然停電時(shí))，變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如平移時(shí)常出現(xiàn)斷電)，可靠性差。因此，還必須同時(shí)采取電磁制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)以配合可靠完成作業(yè)。

2.2 電氣工作原理

1)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動(dòng)系統(tǒng)各有一臺(tái)電機(jī)，由于吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)同時(shí)工作，因此兩套機(jī)構(gòu)不能共用一套變頻器。在司機(jī)操作室聯(lián)動(dòng)臺(tái)上分別設(shè)有吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)主令控制器Ks、Kf。系統(tǒng)的控制指令，由司機(jī)室聯(lián)動(dòng)臺(tái)主令控制器Ks、Kf 給出，經(jīng)PLC 運(yùn)算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關(guān)閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)制動(dòng)打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC 邏輯運(yùn)算后驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器控制接觸器Cs、Cf，使制動(dòng)器動(dòng)作。

變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護(hù)功能和故障自診斷及顯示報(bào)警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時(shí)，變頻器給出故障信號(hào)輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號(hào)后，切斷變頻器電源，控制制動(dòng)器抱閘，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)除了變頻器內(nèi)部有保護(hù)功能外，還設(shè)置了線路保護(hù)：

(1)零位保護(hù)，由主令控制器零位觸點(diǎn)實(shí)現(xiàn)此功能;

(2)限位保護(hù)，由高度限制器實(shí)現(xiàn);

(3)線路設(shè)有低壓斷路器作為短路保護(hù)。

2)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由一臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1 臺(tái)變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與起升機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)類似。

3)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動(dòng)系統(tǒng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用1臺(tái)變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)類似。

3 變頻器與PLC的選擇

3.1 變頻器的選擇

變頻器采用日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專用變頻器。

3.1.1 變頻器控制方式的選擇

由于起重機(jī)機(jī)構(gòu)多為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。

平移機(jī)構(gòu)慣量較大，負(fù)載變化相對(duì)小，屬于阻力性負(fù)載，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器;起升機(jī)構(gòu)慣量較小，負(fù)載變化大，屬于位能性負(fù)載，為獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動(dòng)態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，故抓斗升降、開閉機(jī)械分別選用安川CIMR-G7B4055、安川CIMR-G7A4055 型變頻器，采用閉環(huán)矢量控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機(jī)械特性。

3.1.2 變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇是以電動(dòng)機(jī)的額定功率為依據(jù)的。由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)與通用鼠籠異步電動(dòng)機(jī)相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時(shí)應(yīng)考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動(dòng)機(jī)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)額定電流往往較大，所以選擇時(shí)應(yīng)考慮一定余量。雖然起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，加速時(shí)間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)的因素，以及安全勞動(dòng)部門對(duì)起重機(jī)1.25倍額定靜載荷檢測(cè)要求等因素來(lái)選擇起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的變頻器容量。大車、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)屬于大慣量負(fù)載，其加減時(shí)間一般不超過20 s，變頻器的短時(shí)過載能力為150%，不同的加速時(shí)間對(duì)變頻器容量的計(jì)算不同，當(dāng)加速時(shí)間>2 min時(shí)，變頻器功率選擇應(yīng)放大些，以此來(lái)選擇大車、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的變頻器容量。

3.1.3 制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選擇

當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)或再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲(chǔ)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(hù)動(dòng)作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設(shè)制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻以釋放這部分能量。廠商已提供與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動(dòng)單元。大車、小車、升降、開閉制動(dòng)單元均選用日本安川CDBR-4045 型與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動(dòng)單元。大車、小車、升降、開閉制動(dòng)電阻均選用上海永前ZX25Y2-4045/2H型制動(dòng)電阻器。

3.2 PLC的選擇

本系統(tǒng)中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯控制，接線簡(jiǎn)化，電源功率損耗減少。設(shè)置回路故障診斷功能和有效的電氣保護(hù)功能使系統(tǒng)具有一定的智能性和更高的可靠性。橋式起重機(jī)PLC 邏輯控制梯形圖如圖2所示。其主要功能如下：

1)變頻器運(yùn)行、停止控制;

2)控制制動(dòng)器，保證電動(dòng)機(jī)停止時(shí)能夠及時(shí)制動(dòng)，既不提前，也不延后;

3)升降變頻器控制方式切換;

4)電氣閉鎖保護(hù)控制;

5)升降、開閉變頻器中任意一臺(tái)變頻器報(bào)警故障時(shí)，兩臺(tái)變頻器均能夠立即停止輸出，并同時(shí)制動(dòng);

6)任何時(shí)刻斷電，系統(tǒng)將會(huì)立即停止運(yùn)行，制動(dòng)器制動(dòng)。

4 系統(tǒng)控制要點(diǎn)

橋式起重機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的控制包括：大車的左、右行及速度擋;小車的前、后行及速度擋;吊鉤的升、降，開、閉及速度擋等，這些都可以通過變頻器可編程控制器進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制，在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由于停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。在這個(gè)問題上，主要應(yīng)考慮變頻器運(yùn)行時(shí)與電磁制動(dòng)器接觸器吸合的時(shí)間配合。

4.1 起吊重物停住控制要點(diǎn)

通過設(shè)定停止起始頻率和維持時(shí)間(應(yīng)大于制動(dòng)電磁鐵抱閘時(shí)間0.6 s)，當(dāng)變頻器的工作頻率下降到停止起始頻率時(shí), 變頻器輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)”,發(fā)出制動(dòng)電磁鐵斷電指令，此時(shí)維持一段時(shí)間，隨后變頻器工作頻率降為0。

4.2 起吊重物升降控制要點(diǎn)

設(shè)定“升降起始頻率”和“檢測(cè)電流時(shí)間”，當(dāng)變頻器達(dá)到升降起始頻率，變頻器開始檢測(cè)電流，確認(rèn)電流足夠大，產(chǎn)生的力矩能抵消下降力矩時(shí)發(fā)出松開指令，使制動(dòng)電磁鐵開始通電松開抱閘，檢測(cè)電流時(shí)間應(yīng)大于電磁鐵松開時(shí)間。

4.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置

自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置，在調(diào)試過程中適當(dāng)?shù)靥岣咧蓄l電壓可以改善低頻特性，從而提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩;提高零頻電壓可以加大直流強(qiáng)勵(lì)磁，使電機(jī)保持足夠大的轉(zhuǎn)矩防止溜鉤。

吊車使用完畢后，應(yīng)將主令控制器放置零位，30 s后按下停止按鈕，斷開主電源，關(guān)閉風(fēng)機(jī)及照明電源開關(guān)，確認(rèn)斷電后，鎖好操作室門方可離開。

5 變頻器功能參數(shù)的設(shè)置

橋式起重機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改造采用的日本安川CIMR-G7 和CIMR-F7 系列變頻器的功能參數(shù)設(shè)置如表1所列。

6 改造后的應(yīng)用效果

從改造后運(yùn)行來(lái)看，取得的效果非常明顯。主要表現(xiàn)為：

1)橋式起重機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準(zhǔn)確，減少了負(fù)載波動(dòng)，安全性大幅提高。

2)系統(tǒng)運(yùn)行的開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化，具有半永久性的壽命。

3)由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流限制得較小，頻繁啟動(dòng)和停止時(shí)電動(dòng)機(jī)熱耗減少，壽命延長(zhǎng)。

4)電磁制動(dòng)器在低速時(shí)動(dòng)作,其閘皮的磨損很小，使用壽命延長(zhǎng)。

5)降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

6)節(jié)約能源，變頻調(diào)速的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等過程中，電機(jī)運(yùn)行電流小。以本案來(lái)講，節(jié)能可達(dá)30%左右。該項(xiàng)目投資總費(fèi)用為15 萬(wàn)元，2007 年5月改造完畢，投入運(yùn)行。經(jīng)同期對(duì)比，在生產(chǎn)工況相同的情況下，改造后的電耗和維修費(fèi)用比改造前每月下降約6 000元，2年左右的時(shí)間就可收回投資。

7 結(jié)語(yǔ)

通過技術(shù)改造，不僅提高了橋式起重設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)間，也使工作勞動(dòng)維修強(qiáng)度大幅降低，因此，變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用值得推廣。