變頻調(diào)速技術在起重機上的應用

劉朋昊

摘要:主要研究變頻調(diào)速技術在起重機起升機構中的應用，為起重機電控系統(tǒng)改造提供一種參考。電氣系統(tǒng)是橋式起重機的一個重要組成部分。起重機調(diào)速絕大多數(shù)需在運行過程中進行，而且變換次數(shù)多，故機械變速不適合，需采用電氣調(diào)速。傳統(tǒng)調(diào)速方案一般采用轉(zhuǎn)子串多級電阻方式，先進的調(diào)速方案是PLC控制的變頻器調(diào)速技術。

關鍵詞:起重機 起升機構 電氣系統(tǒng) 變頻調(diào)速 PLC

0 引言

起重機的主要機構有:主起升機構、副起升機構、大車運行機構和小車運行機構。對小噸位起重機(10t及以下)一般不設副起升機構。主、副起升機構和小車運行機構各由一臺YZR系列繞線型電動機驅(qū)動，大車運行機構一般采用2臺YZR系列繞線型電動機分別驅(qū)動。起重機對電氣傳動的要求有:調(diào)速、平穩(wěn)或快速啟制動、大車運行糾偏和電氣同步、吊重止擺等，首當其沖的是調(diào)速要求，且以起升機構對調(diào)速要求最高，因為起升機構經(jīng)常滿載啟制動、換向又要求準確停車。傳統(tǒng)調(diào)速方案一般采用轉(zhuǎn)子串多級電阻方式，另外還有變極調(diào)速，改變定子電壓調(diào)速，電磁滑差離合器調(diào)速，串級調(diào)速等，但最先進的調(diào)速方案是PLC控制的變頻器調(diào)速技術。

1轉(zhuǎn)子串多級電阻調(diào)速方案

轉(zhuǎn)子串多級電阻方式靠調(diào)節(jié)主回路參數(shù)實現(xiàn)調(diào)速，采用繼電器、接觸器邏輯電控系統(tǒng)，是有級調(diào)速。該方案有如下特點：①是有級調(diào)速，而且級數(shù)不能太多；②隨轉(zhuǎn)子電阻增大，機械特性變軟，調(diào)速比很小(大約1：3)；③效率低；④是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；⑤沖擊電流較大，當操縱手柄回到零位時，主接觸器瞬時斷開，機械制動器在高速情況下立即抱閘，機械沖擊力大，結構危害嚴重。但這種方法簡單實用，初投資少，因此常用于起重機類負載中。在設計電氣線路總體方案時，根據(jù)各機構電動機的容量、電動機類型、接電持續(xù)率、通斷次數(shù)期望的控制器工作壽命、機械特性的特殊要求等因素，分別確定其控制方案，再加上安全保護、照明訊號等進行綜合考慮后，即可繪出整臺起重機的電路圖。

2變頻調(diào)速

隨著電力電子技術、計算機技術及自動控制技術的迅速發(fā)展，電氣傳動技術面臨著一場歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計算機數(shù)字控制技術取代模擬控制技術已成為發(fā)展趨勢。交流變頻調(diào)速技術是當今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品質(zhì)量和改善環(huán)境、推動技術進步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和啟制動性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其他許多優(yōu)點而被國內(nèi)外公認為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速系統(tǒng)主要由電動機、變頻器和控制器組成。

2.1電動機變頻調(diào)速并沒有改變電機的硬特性，而是通過改變電機的旋轉(zhuǎn)磁場的角速度來進行調(diào)速的，因此可采用結構堅固、維護簡單的鼠籠型異步電機來取代原來的繞線型電機。普通三相異步電動機的轉(zhuǎn)速是固定的，電機廠是根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速設計風扇，普通電機如果用變頻器降速驅(qū)動，風扇的轉(zhuǎn)速也會降低，風扇的風量就會下降，電機溫度升高。另外，普通電機用于變頻調(diào)速系統(tǒng)時，會引起較大的噪聲，用于高頻段還會產(chǎn)生附加發(fā)熱，能耗高，必須降載使用，調(diào)速范圍也因為特性較差而受到限制。在高頻段，與轉(zhuǎn)子同軸的風扇會產(chǎn)生較大的噪聲，振動產(chǎn)生的附加載荷還會降低軸承和潤滑脂的壽命?；谏鲜鲈?，起重機采用變頻調(diào)速系統(tǒng)一般選用專用變頻電機比較合理，改造時最好更換電機。變頻電機是專門配合變頻器使用的特殊電機，是用另外加配的電風扇散熱，風扇不受電機的轉(zhuǎn)速限制，變頻電機可在保證力矩的情況下長期低速運行。國內(nèi)推出的變頻電動機是由普通電動機加獨立風扇組成，國外生產(chǎn)的變頻電機有奧托變頻電機、先馬變頻電機。選擇變頻電機的基本原則如下:①所選電機的最小轉(zhuǎn)矩能滿足額定載荷下穩(wěn)定運行的需要；②最大轉(zhuǎn)矩能保證啟、制動過程中加速、減速的需要；③溫升不超過允許值。

2.2變頻器變頻技術在短短的10年間，已經(jīng)從U/F比控制、電壓空間矢量控制發(fā)展到無速度傳感器的直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)，功率開關器件從GTO，GTR，IGBT，IPM到IGCT。德國西門子公司、德國ABB公司、日本三菱公司的變頻器在中國應用較多，其中西門子的ACC600型變頻器為起重機專用變頻器，其上裝有專為起重機設計的應用軟件CraneDrive。其優(yōu)點是:首先提供了起重機常規(guī)操作所必需的控制端口，如零位端口、制動器應答信號端口、制動器打開命令端口、提升鋼絲繩松弛檢測端口、快速停車端口以及看門狗的保護端口等；其次對控制提供了操縱桿、電動機電位器控制、無線電遙控、總線控制等多種方式。因此專用變頻器通常不需要加裝PLC就可完成所有的操作。

變頻器容量選擇的前提條件是變頻器的額定電流大于電動機的額定電流。起重機的起升機構最好選用專用變頻器，其他機構可選通用變頻器。調(diào)試時，變頻器功能參數(shù)的設置非常重要，是關系到變頻器與設備運行工況是否配合恰當?shù)闹匾h(huán)節(jié)，需要在使用過程中結合設備運行情況不斷摸索修正。另外，根據(jù)用戶要求借助變頻器編程軟件進行恰當?shù)木幊?，可使變頻器功能超常發(fā)揮。

2.3PLCPLC的選用包括:①確定足夠的輸入/輸出點數(shù)，選擇合適規(guī)模的PLC；②根據(jù)被控對象的性質(zhì)、系統(tǒng)的控制功能和要求，選擇PLC的結構和型號；③根據(jù)控制系統(tǒng)中輸入/輸出信號的種類和要求，選擇PLC輸入/輸出形式及負載能力。

PLC的主要生產(chǎn)國在美國、德國、日本，尤以美國A-B公司、德國西門子公司、日本三菱公司的產(chǎn)品在中國應用最多。

PLC為變頻調(diào)速系統(tǒng)的中樞控制系統(tǒng)，一個PLC可控制多臺變頻器。變頻器接受PLC運行指令，返回運行參數(shù)、集中處理操作信號和保護信號。

2.4主起升機構的PLC和變頻器控制原理圖

主起升機構PLC和變頻器控制原理圖如圖1所示。

司機在聯(lián)動臺發(fā)出信號，操作手柄打到上升或下降某一個檔位，通過中間繼電器，PLC接受信號，執(zhí)行程序，把上升或下降信號送給變頻器，同時把檔位速度信息送給變頻器，變頻器接收指令后開始工作。首先通過整流電路將交流整流為直流，然后再通過控制回路有規(guī)則地控制逆變電路的導通與截止，即令帶有脈寬調(diào)制功能的逆變電路中的6個晶體管開關元件有規(guī)則地交替輪流切換導通，則在變頻器輸出端得到交流電壓。通過改變晶體管開關元件的通斷周期，使得變頻器輸出端交流電壓頻率得以改變，從而改變電機轉(zhuǎn)速。電機加減速時間可以通過改變變頻器的設定參數(shù)來調(diào)整。

電機主回路無觸點，快速熔斷器F02用于保護輸入整流橋不因內(nèi)部短路故障而損壞，電抗器L0可以抑制電網(wǎng)峰值電流，同時降低電機噪音。在位能負載控制回路中加入制動元件和制動電阻。

3 結語

如果主起升機構進行了PLC控制的變頻器調(diào)速改造，那么副起升機構、大車運行機構和小車運行機構都要進行相應的改造，以使整個電氣系統(tǒng)相匹配。在選用變頻器型號和設置功能參數(shù)時，應結合現(xiàn)場生產(chǎn)設備的具體情況而定，包括工況和負載特性等。