橋式起重機(jī)電氣控制電路的變頻改造

1、橋式起重機(jī)電氣控制電路的變頻改造柳州市環(huán)城建筑工程勞務(wù)有限責(zé)任公司張xx15t/3t橋式起重機(jī)主要由主鉤（15t）、副鉤（3t）、大車(chē)和小車(chē)四部分組成。大車(chē)的軌道敷設(shè)在沿車(chē)間兩側(cè)的立柱上，大車(chē)可在軌道上沿車(chē)間縱向移動(dòng)；大車(chē)上有小軌道，供小車(chē)橫向移動(dòng)；主鉤和副鉤都裝在小車(chē)上，主鉤用來(lái)提升重物，副鉤除可提升輕物外，也協(xié)助主鉤翻轉(zhuǎn)或傾倒工作用，但不允許兩鉤同時(shí)提升兩個(gè)物件。1 問(wèn)題提出橋式吊車(chē)電氣傳動(dòng)共有大車(chē)電動(dòng)機(jī)2臺(tái)，小車(chē)電動(dòng)機(jī)1臺(tái)，共5臺(tái)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速。由于工作環(huán)境惡劣，粉塵或有害氣體對(duì)電動(dòng)機(jī)集電環(huán)、電刷以及接觸器腐蝕較大，加上任務(wù)重、操作程序難以保證，沖擊電流大、觸頭消蝕嚴(yán)重

2、、電刷冒火，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組所串的電阻因長(zhǎng)期發(fā)熱而燒損、斷裂，因此故障率較高。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速，機(jī)械特性軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速效果差；轉(zhuǎn)子繞組串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。平均每月發(fā)生較大的故障5次，對(duì)生產(chǎn)影響較大。因此，要從根本上解決橋式吊車(chē)的各種弊端，只有利用plc作為控制裝置并采用變頻器變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)解決。2 改造方案橋式吊車(chē)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)選用了功能強(qiáng)、速度快的三菱fx2n-80mr型plc控制器。由于該系統(tǒng)主要是一些邏輯控制，所以以plc作為控制核心。變頻器采用fr-a740型和fr-a540型，系統(tǒng)的組成方框原理圖，如圖1所示。2.1 可行性分析橋式起重機(jī)的5臺(tái)電動(dòng)

3、機(jī)都需要調(diào)速，因而各有獨(dú)立的調(diào)速系統(tǒng)。其中主鉤、輔鉤是位能負(fù)載，要求恒力矩、四象限運(yùn)行，性能要求高，調(diào)速控制較為復(fù)雜。橋式起重機(jī)要求起動(dòng)力矩大，低速時(shí)需大力矩輸出，一般u/f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器無(wú)法滿(mǎn)足負(fù)載變化劇烈要求。磁通矢量控制方式是基于電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)坐標(biāo)變換把異步電動(dòng)機(jī)模仿成直流電動(dòng)機(jī)的控制方法，即將異步電動(dòng)機(jī)的定子電流分解成產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流分量（勵(lì)磁電流）和與磁場(chǎng)相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流大小、相位，就可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流大小、相位任意控制，從而達(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的目的，也就控制了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因而采用磁通矢量

4、控制方式的變頻器，調(diào)速范圍寬、過(guò)電流抑制能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)矩控制性能好，尤其可以控制靜止轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足主、副鉤電動(dòng)機(jī)的工作要求。大車(chē)、小車(chē)只用一般的變頻調(diào)速u(mài)/f控制即可，且大車(chē)兩邊的兩臺(tái)相同型號(hào)電動(dòng)機(jī)只用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)，只要變頻器的容量足夠就沒(méi)問(wèn)題。正常的情況下，大車(chē)由一臺(tái)變頻器控制兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)同時(shí)得電，就能滿(mǎn)足同步的要求。若有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)有斷路或匝間短路，造成三相不平衡，可利用零序互電流感器，將零序電流信號(hào)傳給晶體管放大器，放大后傳給繼電器，再由繼電器控制開(kāi)關(guān)設(shè)備，使其斷開(kāi)電源；若有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)完全不得電，而三相是平衡的，可在兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)總線(xiàn)路上安裝欠電流繼電器，當(dāng)總電流小于某值時(shí)說(shuō)明有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)不得電，欠電

5、流繼電器動(dòng)作，切斷大車(chē)控制電路；當(dāng)某一臺(tái)電動(dòng)機(jī)過(guò)載時(shí)，過(guò)電流繼電器會(huì)動(dòng)作，切斷電源。2.2 器件型號(hào)選擇和主要參數(shù)設(shè)定當(dāng)橋式起重機(jī)的主鉤電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)或帶著位能負(fù)載快速下降時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生能量如不及時(shí)回饋給電網(wǎng)或用外部電阻消耗掉，既不能獲得足夠大的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還會(huì)導(dǎo)致變頻器過(guò)電壓跳閘，甚至損壞變頻器。因此，正確選擇變頻器就顯得尤為重要。fr-a740系列是起重機(jī)專(zhuān)用變頻器，具備磁通矢量控制模式，采用正弦波pwm控制，特別裝備有專(zhuān)為控制橋吊和完成自動(dòng)調(diào)整功能的智能軟件，內(nèi)置能量回饋再生制動(dòng)單元和交流輸入電抗器，完全滿(mǎn)足橋式起重機(jī)的工況要求，還具有明顯的節(jié)能效果。器件型號(hào)的

6、選擇和主要參數(shù)的設(shè)定，如表1、表2所示。表1 橋式起重機(jī)變頻器的選型設(shè)備電動(dòng)機(jī)容量變頻器型號(hào)及規(guī)格大車(chē)9.5kw、20a，2臺(tái)fr-a540型22kw小車(chē)4.2kw、9afr-a540型7.5kw副鉤13.2kw、28afr-a740型22kw主鉤72kw、141afr-a740型90kw注：大車(chē)、小車(chē)及主鉤、副鉤5臺(tái)電動(dòng)機(jī)均可不更換，只是將每臺(tái)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路三相引出線(xiàn)分別焊接在一起即可。表2 橋式起重機(jī)變頻器的主要參數(shù)設(shè)定值參數(shù)名稱(chēng)大車(chē)小車(chē)副鉤主鉤上限頻率/hz50505050多速設(shè)定（高速）/hz20202020多速設(shè)定（中速）/hz10101010多速設(shè)定（低速）/hz5511加速時(shí)間/

7、s320.50.5減速時(shí)間/s320.50.5電子熱繼電器/a552045175啟動(dòng)頻率/hz3311多速設(shè)定（4速）/hz25252525多速設(shè)定（5速）/hz35353535多速設(shè)定（6速）/hz50505050參數(shù)寫(xiě)入禁止選擇1（禁止）1（禁止）1（禁止）1（禁止）運(yùn)行模式選擇2（外部）2（外部）2（外部）2（外部）注：要設(shè)定pr96(自動(dòng)調(diào)整設(shè)定/狀態(tài))，必須先將pr77設(shè)定為1。3 工作原理以橋式起重機(jī)主鉤為例，plc與主鉤電動(dòng)機(jī)變頻器的接線(xiàn)如圖2所示，電磁制動(dòng)控制電路如圖3所示，plc的i/o分配如表3所示。圖2中，r1、s1直接接入電網(wǎng)，是為了在需要時(shí)保持異常信號(hào)，便于控制和分析

8、原因。否則，當(dāng)保護(hù)回路已經(jīng)動(dòng)作時(shí)，若斷開(kāi)變頻器電源側(cè)的電磁接觸器km，則變頻器控制電路電源也斷開(kāi)，異常輸出信號(hào)不能保持。stf（或str）的閉合能使電動(dòng)機(jī)保持正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）狀態(tài)，rh（高）、rm（中）、rl（低）的不同動(dòng)作組合，可使變頻器多段速運(yùn)行。主鉤電動(dòng)機(jī)的負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速時(shí)要有大轉(zhuǎn)矩輸出。采用順序起動(dòng)、逆序制動(dòng)控制。所有的時(shí)序控制和端子均由plc編程控制，簡(jiǎn)單、可靠、靈活。圖3中，主鉤的電磁制動(dòng)器控制過(guò)程：當(dāng)變頻器得到正轉(zhuǎn)上升命令后，變頻器輸出頻率達(dá)到設(shè)定頻率（例如3hz）以上時(shí)，端子run輸出低電平，即繼電器ka1得電吸合，控制km1吸合，電磁鐵yb松開(kāi)（此刻變頻器已能通過(guò)電動(dòng)機(jī)

9、輸出足夠大的起升力矩），此信號(hào)回饋到變頻器，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)并上升至設(shè)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)變頻器得到下降命令后要求減速停機(jī)時(shí)，如果過(guò)早制動(dòng)，就會(huì)磨損制動(dòng)機(jī)構(gòu)，縮短機(jī)械壽命；若在電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)才進(jìn)行制動(dòng)，電磁制動(dòng)滯后動(dòng)作會(huì)引起輸出力矩不足使重物跌落。因此，在電動(dòng)機(jī)減速制動(dòng)時(shí)，將能量回饋再生單元投入運(yùn)行，采用低速制動(dòng)的方法，當(dāng)變頻器頻率下降至設(shè)定頻率時(shí)（例如6hz），端子run輸出高電平，ka1不吸合， km1就斷開(kāi)，yb制動(dòng)、主鉤電動(dòng)機(jī)停止，從而克服了過(guò)早過(guò)晚制動(dòng)的弊端。當(dāng)變頻器故障或提升限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，km1斷開(kāi)、yb制動(dòng)、主鉤電動(dòng)機(jī)停止、保持住重物，防止溜鉤。這些都由plc編程控制，使系統(tǒng)具有更高的安全可

10、靠性。4 結(jié)束語(yǔ)表4為起重機(jī)改造前、后的部分運(yùn)行參數(shù)對(duì)比，可見(jiàn)改造后的起動(dòng)電流和穩(wěn)態(tài)電流都比改造前小了許多。采用專(zhuān)用變頻器調(diào)速系統(tǒng)改造后的橋式起重機(jī)，經(jīng)柳工機(jī)械工程公司總裝車(chē)間的橋吊一年多的實(shí)踐應(yīng)用證明，重載低速起動(dòng)可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，加減速時(shí)間的設(shè)定使各檔起動(dòng)、制動(dòng)速度相當(dāng)平穩(wěn)，控制精度高。利用頻率檢測(cè)信號(hào)控制制動(dòng)器開(kāi)閉，解決了溜鉤問(wèn)題。利用電源回饋技術(shù)把電動(dòng)機(jī)的再生能量回饋電網(wǎng)，既提高了系統(tǒng)的效率，也提高了系統(tǒng)的安全性。plc的控制使電動(dòng)機(jī)主電路實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化，減少了故障點(diǎn)和故障率，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。取消了傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)，每臺(tái)起重機(jī)每年僅節(jié)約就達(dá)11萬(wàn)元，每年節(jié)省電費(fèi)、維修費(fèi)、人工費(fèi)等共計(jì)為55萬(wàn)元，間接的經(jīng)濟(jì)效益約為76萬(wàn)元。因此變頻調(diào)速系統(tǒng)在橋式起重機(jī)中應(yīng)用推廣，具有很好的發(fā)展前景。表4 起重機(jī)電氣控制電流改造前、后的部分運(yùn)行參數(shù)對(duì)比設(shè)備名稱(chēng)原電動(dòng)機(jī)容量及額定電流變頻器容量及額定電流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流/a電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)電流/a改造前改造后改造前改造后大車(chē)9.5kw/20a20臺(tái)22kw/45a76424137小車(chē)4.2kw/9a7.5kw/15a25168.67主