一種適應惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調速裝置的研發(fā)

廖志雄吳韓輝楊小明羅慶祝徐彥飛程新華

（1．廣東省云浮市特種設備檢驗所，廣東 云浮 527343； 2．廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司 廣東 云浮 527300）

一種適應惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調速裝置的研發(fā)

廖志雄1吳韓輝2楊小明1羅慶祝2徐彥飛2程新華1

（1．廣東省云浮市特種設備檢驗所，廣東 云浮 527343； 2．廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司 廣東 云浮 527300）

本文分析了交流接觸器在抓斗橋式起重機繞線式異步電動機轉子串接電阻控制系統(tǒng)中存在故障率高、可靠性差的現(xiàn)象，據(jù)此提出在電力電子技術的基礎上，對現(xiàn)有的控制回路進行無觸點控制改造，實現(xiàn)電機的無觸點延時平滑啟動。通過本次改造，不僅提高了系統(tǒng)控制精度，可靠性和穩(wěn)定性；而且有效解決了抓斗橋式起重機控制系統(tǒng)存在的各種問題，大大降低了抓斗橋式起重機的故障率，減少了維修工時和員工的勞動強度，增加了一定的社會效益和經濟效益。

調速裝置；橋式起重機；研發(fā)；高可靠性

一﹑項目研發(fā)的背景

調速裝置是橋式起重機極為重要的運行部件，現(xiàn)有的橋式起重機調速裝置主要由調速電阻，切換電阻交流接觸器﹑延時切換時間繼電器﹑凸輪控制器等組成，由于整套調速裝置可動部件多，容易出現(xiàn)失靈，卡死等故障；同時，接觸器需經常切換大電流，在運行過程中產生大量電弧和火花，接觸器觸頭容易燒蝕﹑粘結，從而造成電氣短路，在檢驗過程中，因需檢查調速裝置及各運行機構工作情況和性能，因此在一定程度上對檢修﹑檢驗人員人身安全造成威脅；由于橋式起重機調速裝置應用的環(huán)境差，運行負荷大且不穩(wěn)定，故障率高，橋式起重機的安全性能受調速裝置的影響較大，橋式起重機安全性能也因此大打折扣，因此根據(jù)企業(yè)應用和檢驗所業(yè)務需求，主要針對廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司礦山﹑磷肥﹑硫酸生產存在多粉塵，強腐蝕環(huán)境下頻繁操作的橋式起重機運行故障率高﹑維修成本大﹑可靠性與連續(xù)性差﹑安全隱患大﹑檢驗過程復雜繁瑣等問題展開研究，以滿足安全﹑可靠﹑連續(xù)﹑高效生產的實際需要；同時提高檢驗人員的工作效率，降低監(jiān)管壓力，有效提高起重機行業(yè)技術水平；通過推廣應用，可創(chuàng)造可觀的經濟效益和良好的社會效益，為促進我國橋式起重機的安全運行發(fā)揮重要作用。

二﹑研發(fā)項目具體方案﹑工作原理

1研發(fā)項目具體技術內容及方案

本項目具體技術內容是對傳統(tǒng)交流接觸器﹑繼電器等元器件組成的橋式起重機的繞線式異步電動機轉子串聯(lián)電阻控制技術的調速裝置進行創(chuàng)新性改造，研發(fā)一套無觸點電子調速裝置，一種適應高溫﹑多粉塵﹑強腐蝕等惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調速裝置。

1）針對傳統(tǒng)交流接觸器﹑繼電器等元器件組成的調速裝置存在運動部件多，故障率高，維修復雜且維修成本高的問題，深入開展無觸點開關元件在橋式起重機調速裝置的應用技術研究：由于無觸點電力電子元件類型較多，性能格格等相差較大，為解決調速裝置高電壓，大電流，環(huán)境差，干擾強等應用問題，通過各類型的電子無觸點開關進行對比分析，篩選，決定采用雙向晶閘管作為調速裝置的主控制切換單元，代替原有的接觸器。雙向晶閘管具有體積小，開斷無涌流，開關速度快，工作過程不會產生電火花，工作時無噪音，效率高，壽命長，可靠性好，并且能在高電壓﹑大電流條件下工作等優(yōu)點，同時適應各類工業(yè)環(huán)境，抗干擾性能好。

2）為降低調速的成本和提高調速裝置的可靠性，保證調速裝置主要元件可靠穩(wěn)定運行，為該調速裝置研究一種無需保護元件就能實現(xiàn)過流﹑過壓保護的調速裝置自保護核心技術：該技術主要是通過控制通過晶閘管的電壓變化率和上升電流，通過繞線電機本身的電壓﹑電流特性，結合調速電阻的電流限制特性來實現(xiàn)調速裝置的自限流技術，該技術首次實現(xiàn)無自動開關﹑無熔斷器﹑無電抗器線圈﹑無電容器等保護元件，同時具有自動限制非正常電流功能，可自動限制電機起動時的起動電流和電機運行異常時的故障電流。

3）為減少調速裝置因為人為操作不當擊而引起故障，同時解決橋式起重機操作人員操作手柄多，檔位多，勞動強度大的問題，研究一套適用橋式起重機調速的自動換檔技術：也就是研究一套檔位時序控制系統(tǒng)，要求是一要受溫度﹑振動影響?。欢怯嫊r要準確，且時間容易調節(jié)；三是三相要同步。主要方案是采用RC電子延時電路控制技術實現(xiàn)調速裝置的自動換檔控制，該電路利用RC電路穩(wěn)定可靠的充放電特性，配合必要的輔助元器件如微型繼電器構成調速裝置自動換檔控制器，實現(xiàn)調速裝置自動檔位控制。

4）為保證調速裝置雙向晶閘管的有效導通和可靠關斷，并適應惡劣的環(huán)境情況，研究設計能簡化觸發(fā)信號控制系統(tǒng)的雙向晶閘管觸發(fā)技術：主要是在現(xiàn)有晶閘管觸發(fā)技術基礎上研究簡單高效的雙向晶閘管強觸發(fā)技術，即通過對雙向晶閘管觸發(fā)特性的研究，合理設計晶閘管觸發(fā)電路，該電路要與前面的自動換檔技術相結合，即充分利用微型繼電器作為觸發(fā)信號控制元件，利用雙向晶閘管一三象限觸發(fā)效果最優(yōu)特點，實現(xiàn)晶閘管Ⅰ+和Ⅲ-觸發(fā)，實現(xiàn)雙向晶閘管全波形導通，保證調速置可靠穩(wěn)定運行。

5）為更直觀地顯示調速裝置的運行狀態(tài)，方便檢驗和檢修作業(yè)，為調速裝置研究故障可視信號技術：主要內容是在關鍵的時序控制回路中增加運行標示信號，即自動調速時每一檔位都能直觀顯示出來，主要方案是在強觸發(fā)微型繼電器內增加發(fā)光二極管，當晶閘管觸發(fā)時，發(fā)電二極管發(fā)光指示動作情況。調速裝置實現(xiàn)故障點可視化設計，從而提高了橋式起重機檢驗效率。

2調速裝置的組成及原理圖

由于雙向晶閘管能具有體積小，開斷無涌流，開關速度快，不會產生電火花，工作時無噪音，效率高，壽命長，可靠性好，并且能在高電壓﹑大電流條件下工作等優(yōu)點，同時電子式延時控制系統(tǒng)技術先進，運行可靠穩(wěn)定，對環(huán)境粉塵等適應能力強，抗干擾性能好，控制方便，使用靈活，因此利用晶閘管無觸點開關技術﹑無保護元件的自動限制非正常電流技術及自動延時換檔強觸發(fā)技術構成的橋式起重機調速裝置，可為頻繁起動的繞線式異步電動機工作的可靠性提供保證。采用上述技術的橋式起重機調速裝置，具有響應快，控制系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性強，在起動和運行過程中無噪音，調速裝置本身不會短路，故障率大大降低，基本實現(xiàn)了免維護。具體電氣控制主回路和控制回路原理圖如圖1和圖2所示：

圖中： KA11～KA22為過電流繼電器。KA9為失壓繼電器，起零位保護功能，防止主電源合閘時電動機誤起動，造成事故。KM1，KM3分別為升降電動機的正反轉控制交流接觸器；KM2，KM4分別為開閉電動機的正反轉控制交流接觸器。KA1～KA8分別為直流中間繼電器，其中KA1，KA3，KA5控制升降電動機轉子回路晶閘管觸發(fā)導通，KA2，KA4，KA6控制開閉電動機轉子回路晶閘管觸發(fā)導通，電動機起動過程中，其輔助觸點依次閉合，通過轉子產生的感應電動勢相繼觸發(fā)晶閘管導通，使轉子串接電阻逐級切除；KA7﹑KA8起晶閘管觸發(fā)延時保護作用，防止在電動機起動時其轉子串接電阻系統(tǒng)故障而導致電機起動異常而燒壞電機等。 C1～C6為極性電容，R1～R6，為電阻，它們共同構成無觸點延時系統(tǒng)，與對應直流中間繼電器線圈并聯(lián)，主要起在電動機起動時，控制直流繼電器延時釋放，從而控制切除轉子串接電阻的時間。

3工作原理

1）預備起動：

將主令控制器SA1，SA2均打在中間位置，若KA7和KA8均接通（即直流接觸器均吸合，預起動狀態(tài)），若KA7和KA8不是都接通，需要檢查，說明直流接觸器沒進入預起動狀態(tài)。動作過程如下：

控制變壓器接通→KA1接通→C1充電→KA1-1.KA1-2斷開﹑KA1-3閉合→KA3接通→C3充電→KA3-1. KA3-2斷開﹑KA3-3閉合→KA5接通→C5充電→KA5-1.KA5-2斷開﹑KA5-3閉合→KA7接通→KA7閉合；控制變壓器接通→KA2接通→C2充電→KA2-1.KA2-2斷開﹑KA2-3閉合→KA4接通→C4充電→KA4-1. KA4-2斷開﹑KA4-3閉合→KA6接通→C6充電→KA6-1.KA6-2斷開﹑KA6-3閉合→KA8接通→KA8閉合；KA7.KA8閉合→KA9接通→KA9自鎖→預備起動

2）正轉起動：將主令控制器SA1打在左邊位置→SA1-2接通→KM1接通→KM1-1.KM1-2斷開→正反轉互鎖→KA1延時斷開→KA1-1.KA1-2閉合→V1.V2導通→C1放電→KA1-3斷開→KA3延時斷開→KA3-1.KA3-2閉合→V3.V4導通→ C3放電→KA3-3斷開→KA5延時斷開→KA5-1.KA5-2閉合→V5.V6導通→C5放電→KA5-3斷開→KA7延時斷開→電動機轉子電阻切換完畢。

3）反轉起動：將主令控制器SA1打在右邊位置為KM3動作，其原理與正轉起動相同。

三﹑項目的特色和創(chuàng)新點

1本調速裝置的創(chuàng)新點：

1）具有高可靠性，不需要安裝自動開關﹑熔斷器﹑電抗器線圈﹑電容器等保護元件，即可實現(xiàn)過流過壓保護功能。

2）具有自動限制非正常電流功能，可自動限制電機起動時的起動電流和電機運行異常時的故障電流。

3）采用晶閘管強觸發(fā)技術，確保開關元件的有效導通和可靠關斷。

圖1 電氣控制主回路原理圖

4）主要元器件采用無觸點化﹑故障點可視化設計，實現(xiàn)了檢查檢驗目測化。

2項目特色：

1）調速裝置采用先進的自動控制方案，根據(jù)橋式起重機運行控制情況結合現(xiàn)場實際條件，獨創(chuàng)一套完善的自動控制改造方案，主要由雙向晶閘管﹑自動化儀表﹑現(xiàn)場設備組成，通過電氣改造實現(xiàn)自動調速和高效穩(wěn)定運行。

2）能徹底解決橋式起重機在高溫﹑多粉塵﹑腐蝕等惡劣環(huán)境下可靠安全運行的需求，適應橋式起重機頻繁操作的應用要求，可以幫助橋式起重機使用企業(yè)降低維修成本，提高生產效率。

3）采用無觸點電子開關作為調速裝置的主控制單元，該技術的核心為創(chuàng)新的無自動開關﹑無熔斷器﹑無電抗器線圈﹑無電容器等保護元件的具有自動限制非正常電流功能的控制方案，可徹底解決頻繁操作交流接觸器引起的弧光閃爍，觸點拉弧燒傷，電氣短路問題，以及在工作時經常發(fā)生交流接觸器主觸點接觸不良，引起轉子電阻不平衡，電動機振動大﹑發(fā)熱嚴重，電機燒壞，備品備件消耗量大的問題。

4）采用無觸點延時技術，很好地解決系統(tǒng)控制精度差，運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高了操作人員的安全性和生產設備運行的可靠性。

5）利用強觸發(fā)技術確保開關元件的有效導通和可靠關斷，既保證了觸發(fā)的可靠性，又優(yōu)化了觸發(fā)電路，有效解決了雙向晶閘管在工作時正反兩個方向的觸發(fā)靈敏度不同，可能會出現(xiàn)的正負電流波形不對稱和直流分量等問題。

6）采用新型電力電子技術有效避免了交流接觸器鐵芯接合面臟污，接合面未對好，交流鐵芯吸合時噪聲過大，接觸器鐵芯滯磁，斷開動作遲緩，接點黏接燒損，接觸器線圈燒損，電阻器發(fā)熱燒斷，抓斗擺動碰撞車廂等故障，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)運行的本質安全性，大大提高了設備檢修和檢驗人員的安全系數(shù)。

7）由于實現(xiàn)主要元器件無觸點化﹑布線簡單化和故障點可視化設計，提高了橋式起重機檢驗效率，調速裝置的檢驗更加方便，也更加安全，使得檢驗機構出具的檢驗報告更經得起時間的考驗。

結論

圖2 電氣控制控制回路原理圖

本調速裝置實現(xiàn)了故障點可視化設計﹑主要元器件無觸點化﹑布線簡單化設計，解決了橋式起重機定期檢驗時易出現(xiàn)檢不出﹑檢不快﹑檢不準的問題，在檢驗過程中，無需輔助的儀器設備進行檢測，通過目測可進行準確檢驗。

調速裝置的成功研發(fā)，有效解決了長期困擾廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司內橋式起重機對物料的轉運﹑裝車時故障率高﹑維修成本大﹑可靠性與連續(xù)性差﹑安全隱患大等難題，同時，可進行技術轉讓或與有生產能力的企業(yè)進行技術合作，其市場價值在300萬以上，如果實現(xiàn)產業(yè)化生產和應用，則可提升橋式起重機行業(yè)的技術水平。

[1]傅德源．實用起重機電氣技術手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

[2]康華光．電子技術基礎．模擬部分[M]．北京：高等教育出版社，2006（1）．

[3]王兆安，黃?。娏﹄娮蛹夹g[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000．

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