起重機(jī)可控硅技術(shù)的應(yīng)用與改進(jìn)

河鋼股份有限公司承德分公司 劉躍強(qiáng)

長(zhǎng)期以來(lái)人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過(guò)了大量的研究，嘗試過(guò)使用各種不同形式的調(diào)速方法，隨著大功率和高開(kāi)關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)研制成功，可控硅整流技術(shù)普及應(yīng)用廣泛。

C鋼鐵企業(yè)280噸鑄造起重機(jī)電機(jī)調(diào)速控制應(yīng)用最多的是采用MH美恒公司研制和開(kāi)發(fā)的THYROMAT系列可控硅定子調(diào)壓調(diào)速裝置，通過(guò)調(diào)壓和正反向接觸器切換完成三相繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。由于接觸器本身壽命問(wèn)題，線(xiàn)路感應(yīng)電壓?jiǎn)栴}，容易出現(xiàn)“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象，通過(guò)升級(jí)改造，將接觸器換向方式升級(jí)為可控硅換向方式，從而杜絕了因接觸器造成的設(shè)備間歇性故障現(xiàn)象。

本文首先介紹了起重機(jī)電機(jī)調(diào)壓調(diào)速原理，對(duì)接觸器控制與可控硅控制方式進(jìn)行了比較，以案例形式對(duì)C鋼鐵企業(yè)280噸鑄造起重機(jī)的“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象進(jìn)行分析和改進(jìn)，有效提升了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 電機(jī)控制方式

1.1 接觸器控制

起重機(jī)電機(jī)的運(yùn)行通常由多臺(tái)交流接觸器控制，C鋼鐵企業(yè)50噸位以上的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，均采用了定子調(diào)壓調(diào)速裝置和接觸器配合控制方式，如圖1所示。本文對(duì)于傳統(tǒng)接觸控制不進(jìn)行詳述。

圖1 起升機(jī)構(gòu)控制原理圖

換向接觸動(dòng)作時(shí)，電機(jī)得電驅(qū)動(dòng)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行。當(dāng)給定的上升指令到某一檔時(shí)，定子調(diào)壓調(diào)速裝置控制上升接觸器吸合，控制電機(jī)沿著加速參數(shù)規(guī)定的模式平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)給定的下降指令到1、2、3檔時(shí)，定子調(diào)壓調(diào)速裝置控制上升接觸器吸合，由于被吊物自身重力拉到機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)；下降指令速度到4檔時(shí)，定子調(diào)壓調(diào)速裝置控制下降接觸器吸合，使電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，如電動(dòng)機(jī)下降速度超過(guò)同步速處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。

電機(jī)轉(zhuǎn)子串接了電阻消耗低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能，調(diào)整電機(jī)運(yùn)行速度的變化。上升調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)子接觸器吸合切除1段電阻，增加電機(jī)啟動(dòng)力矩；給定全速上升時(shí)，定子調(diào)壓調(diào)速裝置控制轉(zhuǎn)子接觸器閉合，分別切除2、3段電阻，使電機(jī)平滑過(guò)渡到全速，又使切換電流得到控制。下降調(diào)速時(shí)，為了降低電機(jī)電流，確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩足夠，增加最后1段電阻，四段電阻全部串聯(lián)到電機(jī)轉(zhuǎn)子上；給定全速下降時(shí)，定子調(diào)壓調(diào)速裝置控制轉(zhuǎn)子接觸器閉合，分別切除2、3段電阻，使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)時(shí)，速度限制在允許范圍內(nèi)。

1.2 可控硅控制

可控硅又稱(chēng)晶閘管是一種具有三個(gè)PN結(jié)的四層結(jié)構(gòu)的大功率半導(dǎo)體器件。定子調(diào)壓調(diào)速裝置采用可控硅換向，通過(guò)控制可控硅的觸發(fā)角度來(lái)改變背對(duì)背并聯(lián)的可控硅進(jìn)行換向，同時(shí)能夠調(diào)節(jié)電機(jī)定子電壓。裝置具有電氣連鎖，以確保系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，指令必須在零位才能動(dòng)作。由于裝置是沿斜波連續(xù)加速和減速的，能夠電機(jī)和減速機(jī)等機(jī)構(gòu)的沖擊減到最小，電流可以限制在滿(mǎn)載電流的兩倍內(nèi)。

1.3 兩種控制對(duì)比

起升機(jī)構(gòu)采用可控硅換向不同之處，是由可控硅代替了交流接觸器，放置于調(diào)壓調(diào)速裝置內(nèi)部，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在動(dòng)作速度快、無(wú)機(jī)械阻卡、無(wú)觸點(diǎn)粘連、無(wú)吸合噪音、使用周期長(zhǎng)、安全性能高等方面，對(duì)比如表1所示。

表1 對(duì)比表

2 可控硅換向改造

C鋼鐵企業(yè)煉鋼現(xiàn)場(chǎng)的鋼包跨、加料跨共6臺(tái)280噸鑄造起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)都是采用MH美恒公司研制和開(kāi)發(fā)的THYROMAT系列可控硅定子調(diào)壓調(diào)速裝置產(chǎn)品，通過(guò)調(diào)壓和正反向接觸器切換完成三相繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，由于接觸器機(jī)械阻卡、觸點(diǎn)粘連、動(dòng)作速度等原因，起升機(jī)構(gòu)曾多次出現(xiàn)“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。論證后決定通過(guò)升級(jí)改造，將接觸器換向方式升級(jí)為可控硅換向方式，從根本上杜絕因接觸器造成的“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。

2.1 電機(jī)主要參數(shù)

鋼包跨51#、52#、55#起重機(jī)和加料跨31#、32#起重機(jī)主起升系統(tǒng)的主要參數(shù)相同，主起升系統(tǒng)采用繞線(xiàn)式電動(dòng)機(jī)雙驅(qū)動(dòng)，其中31#、32#、55#起重機(jī)電動(dòng)機(jī)為天元產(chǎn)的400KW電機(jī)，51#、55#起重機(jī)主起升電機(jī)為佳木斯產(chǎn)的400KW電機(jī)。主起升噸位280噸，主起升鉤頭速度1-10m/min，主起升電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 主起升電機(jī)參數(shù)

加料跨35#起重機(jī)主起升主要參數(shù)與其他5臺(tái)起重機(jī)不同，35#起重機(jī)主要用于提釩煉鋼，不負(fù)責(zé)吊運(yùn)-18米地坑接鐵水的鋼包，所用電機(jī)為佳木斯產(chǎn)355KW電機(jī)。主起升噸位280噸，主起升鉤頭速度0.8-8m/min，主起升電機(jī)參數(shù)如表3所示。

表3 主起升電機(jī)參數(shù)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題分析

在重載下降4檔全速運(yùn)行時(shí)，司機(jī)檔位回至3檔，主起升鉤頭速度不減反增，且電機(jī)發(fā)出異響，即出現(xiàn)“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。通過(guò)多種模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)主起升的換向接觸器1KM2的輔助觸點(diǎn)有損壞的情況，也發(fā)現(xiàn)PLC程序中缺少相應(yīng)保護(hù)功能。

分析主起升控制過(guò)程，正反向接觸器1KM1，1KM2有機(jī)械互鎖也有電氣互鎖，當(dāng)下降4檔運(yùn)行時(shí)，即1KM2接觸器吸合，當(dāng)檔位回至3檔時(shí)，正常1KM2斷開(kāi)，1KM1吸合，電機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，減速至3檔速度。但由于1KM2的輔助觸點(diǎn)損壞，PLC中又未有相關(guān)保護(hù)，造成1KM1無(wú)法吸合，電機(jī)失電無(wú)力矩，重物處于自由落體向下運(yùn)行，電機(jī)發(fā)出異響，發(fā)生“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。

2.3 改進(jìn)措施及效果

根據(jù)模擬測(cè)試現(xiàn)象對(duì)280噸鑄造起重機(jī)主起升PLC程序進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，尤其是需要調(diào)壓裝置與PLC的聯(lián)合保護(hù)控制增加保護(hù)功能，例如（不限于以下保護(hù)功能）：接觸器故障保護(hù)、單電機(jī)誤選擇故障保護(hù)、電動(dòng)機(jī)電流不平衡故障保護(hù)、抱閘接觸器的保護(hù)等。

主起升機(jī)構(gòu)換向接觸器曾多次出現(xiàn)故障，為了提高可靠性增強(qiáng)安全性必須進(jìn)行升級(jí)改造。不采用接觸器換向方式，采用可換硅換向式的無(wú)觸點(diǎn)調(diào)壓調(diào)速裝置驅(qū)動(dòng)，帶DP通訊功能，將運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)PLC傳輸?shù)絇DA儲(chǔ)存顯示。替換下元件可作為其他車(chē)備件，徹底解決由換向接觸器故障引起的“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。

C鋼鐵企業(yè)煉鋼現(xiàn)場(chǎng)6臺(tái)280噸鑄造起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)升級(jí)改造后，已經(jīng)使用1年多，再未出現(xiàn)“非指令性”動(dòng)作現(xiàn)象。可控硅換向式的無(wú)觸點(diǎn)調(diào)壓調(diào)速裝置具有DP通訊功能，通過(guò)PLC監(jiān)控，有效地診斷當(dāng)前狀態(tài)是否異常，改進(jìn)的雙抱閘控制方式，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性。