變頻器在雙梁橋式起重機(jī)上的應(yīng)用

1．引言
       橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中使用十分廣泛的一種裝卸設(shè)備，由于橋式起重機(jī)的工作環(huán)境惡劣，經(jīng)常需要在重載下頻繁起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、變速等操作，沖擊電流大，振動(dòng)大，所以在傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制的電氣系統(tǒng)中，接觸器的觸頭因電機(jī)經(jīng)常有沖擊電流而燒壞，造成維修量大，維護(hù)成本極高，造成生產(chǎn)線停產(chǎn)損失更加不可估量，且傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。而調(diào)速性能高、工作可靠、維護(hù)方便的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)為橋式起重機(jī)的控制提供了一種全新的方案。該方案控制線路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、維護(hù)量小、保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，且高效、節(jié)能，因此采用交流變頻調(diào)速是起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。
2.橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制
       橋式起重機(jī)是一種橫架在固定跨間上空用來(lái)吊運(yùn)各種物件的設(shè)備。一般由起重小車、橋架金屬結(jié)構(gòu)、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)（大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)）以及電氣控制設(shè)備等四個(gè)部分組成。其中起重小車由起升運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)組成。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過(guò)小車導(dǎo)電裝置（輔助滑線）、起重機(jī)總電源導(dǎo)電裝置（主滑線）等部分將電源輸送到中心電器上。
       橋式起重機(jī)可以實(shí)現(xiàn)重物在三維空間的垂直、橫向、縱向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)大車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)沿車間兩邊的軌道作縱向前后運(yùn)動(dòng)；小車及提升機(jī)構(gòu)由小車電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)沿橋架上的軌道作橫向左右運(yùn)動(dòng)，在升降重物時(shí)由起重電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作垂直上下運(yùn)動(dòng)，如圖1所示

       傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)一般采用繼電器-接觸器控制，電機(jī)為交流繞線式電動(dòng)機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速，如圖2所示。啟動(dòng)時(shí)，升接觸器或者降接觸器吸合，電磁制動(dòng)器接觸器吸合打開抱閘，調(diào)速電阻上的接觸器不動(dòng)作，電機(jī)低速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)需要變速時(shí)通過(guò)吸合調(diào)速電阻上的不同接觸器來(lái)改變轉(zhuǎn)子線圈的電阻值，達(dá)到改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該類控制方式缺陷明顯，主要反映在效率非常低，它以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來(lái)?yè)Q取轉(zhuǎn)速的降低。轉(zhuǎn)速越慢，效率越低，大部分功率被轉(zhuǎn)換成熱能而消耗掉。采用變頻調(diào)速方案就能很好地解決這個(gè)問題。變頻調(diào)速是通過(guò)改變定子供電頻率來(lái)達(dá)到電機(jī)調(diào)速的目的，無(wú)論轉(zhuǎn)速高低，其機(jī)械特性基本上與自然機(jī)械特性平行，所消耗的轉(zhuǎn)差功率都基本不變，因此效率很高，有著明顯的節(jié)電效果，且調(diào)速的平穩(wěn)性大大提高。在節(jié)能、減少維修、提高產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量等方面都取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，是電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向。，耽誤生產(chǎn)。

3.變頻調(diào)速系統(tǒng)選型方案
        隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器的性能和穩(wěn)定性得到了極大地提高，使在起重機(jī)上運(yùn)用變頻器變?yōu)榱丝赡�，從而根本上解決了傳統(tǒng)橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)的缺點(diǎn)。在起重設(shè)備中使用變頻調(diào)速控制必須先了解起重機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。
（1）變頻器在起重機(jī)整個(gè)工作過(guò)程中的力矩特性為，啟動(dòng)力矩大于2倍額定轉(zhuǎn)矩，尤其是重物在半空中時(shí)，啟動(dòng)力矩比額定轉(zhuǎn)矩大得多，在低頻時(shí)必須能輸出100%以上額定轉(zhuǎn)矩。
（2）運(yùn)行平穩(wěn)，加減速平滑，啟動(dòng)和停止時(shí)變頻器輸出與制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩必須平滑過(guò)渡，無(wú)溜鉤現(xiàn)象發(fā)生，在加減速過(guò)程中可做到加速度連續(xù)，無(wú)撞擊感。
（3）起升機(jī)構(gòu)下行或緊急停車以及大小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，變頻器能給出大于額定轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)力矩，并且電機(jī)將處于發(fā)電狀態(tài)，向變頻器饋送能量，此時(shí)必須能將這部分再生能量處理掉。
（4）運(yùn)行過(guò)程中由于道軌不平整或滾筒偶爾出現(xiàn)鋼絲繩絞繩，以及重物離開或接觸地面時(shí)會(huì)引起電機(jī)力矩的跳變，變頻器能承受這種跳變并進(jìn)行平滑控制。
         針對(duì)以上起重機(jī)對(duì)變頻器的運(yùn)行要求，變頻調(diào)速系統(tǒng)的主要設(shè)備將采用以下方法選擇：
3.1 變頻器容量的選擇
3.1.1 起升機(jī)構(gòu)（主/副 鉤）驅(qū)動(dòng)變頻器的容量P0（kVA）：
                                         P0≥K×K1×Pm/(η×cosφ)                            （1）
式中 Pm―負(fù)載所要求的電動(dòng)機(jī)軸的輸出功率（kW）；
     K―電流波形的修正系數(shù)（一般為1.05 ~1.1）；
     K1―容量過(guò)載系數(shù)（一般取1.1~1.2）；
     η―電動(dòng)機(jī)效率（通常約0.85）；
cosφ―電動(dòng)機(jī)的功率因素（通常約0.75）；
3.1.2平移機(jī)構(gòu)包括大車小車回（旋）轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，大多采用多臺(tái)電機(jī)傳動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)變頻器采用一拖多形式，變頻器的容量必需大于總負(fù)載需求的電流：
                                           ICN≥k×n×In                                                 （2）
式中 k―電流波形修正系數(shù)，PWM調(diào)制時(shí)取1.05~1.1；
     In―工頻時(shí)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)額定輸出電流（A）；
     ICN―變頻器額定輸出電流（A）；
     n―電動(dòng)機(jī)的數(shù)量；
3.2 制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的選擇
3.2.1平移機(jī)構(gòu)制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的選擇
       平移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)上的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻一般按常規(guī)變頻器對(duì)制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的標(biāo)準(zhǔn)配置進(jìn)行選擇。
3.2.2起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻的選擇
       起升機(jī)構(gòu)在下降過(guò)程中再生電能能量大，時(shí)間長(zhǎng)，為保證變頻器正常工作需重新配置制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻。
（1）電阻值RB 的計(jì)算
       RB的最小電阻值Rmin由變頻器的最大電流值I(max)和制動(dòng)單元技術(shù)規(guī)格決定如下
                                            Rmin= VC /I(max)                                           （3）
為滿足制動(dòng)力矩的要求，最大電阻值Rmax由最大制動(dòng)功率PB(max)求得：
                                  Rmax=V2C / PB(max)= V2C /（130%×Pe）      （4）
電阻的取值范圍：
                                             Rmin＜RB＜Rmax                                        （5）
式中 VC一般為700V
Pe―電機(jī)額定功率
（2）電阻額定功率PR
                                                PR＞0.8 Pe/m                                             （6）
式中 m―電阻的功率增加率，由電阻的選型手冊(cè)查到，一般按1.5計(jì)算。
4.變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 變頻調(diào)速系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)
        現(xiàn)以江蘇溧陽(yáng)某變壓器廠50T雙梁橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)變頻改造為例，詳細(xì)說(shuō)明起重機(jī)變頻調(diào)速的設(shè)計(jì)步驟。該起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是YZR315S-10 的電機(jī)，功率為55KW，根據(jù)式（1）及電機(jī)參數(shù)計(jì)算得到起升機(jī)構(gòu)所需的變頻器容量為95KVA，現(xiàn)采用四方電氣高性能重載性矢量變頻器A510-4T0750變頻器，該變頻器容量為98KVA，且具有超強(qiáng)的過(guò)載能力和啟動(dòng)力矩以及多種典型宏參數(shù)可一件完成設(shè)置，內(nèi)置的三相濾波器和電抗器減少了諧波，增強(qiáng)了抗干擾，因此非常適合起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的工況應(yīng)用，制動(dòng)電阻根據(jù)式（3）到（6）求得。具體設(shè)計(jì)如圖3所示，由于不需要串電阻調(diào)速，因此要將電機(jī)的轉(zhuǎn)子短接， K1，K2為正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)信號(hào)，K3，K4，K5為多段速控制信號(hào)，電磁制動(dòng)接觸器控制電磁制動(dòng)器的抱閘動(dòng)作。

調(diào)試參數(shù)如下
按電機(jī)銘牌設(shè)置以下參數(shù)：
F2.0.00=55     電機(jī)額定功率
F2.0.01=380    電機(jī)額定電壓
F2.0.02=123.3   電機(jī)額定電流
F2.0.03=50     電機(jī)額定頻率
F2.0.04=580    電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
設(shè)置F2.2.53=1，然后按下運(yùn)行鍵FWD，變頻器將進(jìn)行電機(jī)參數(shù)識(shí)別，識(shí)別完后按以下參數(shù)設(shè)置變頻器
F0.1.22=3.5    下限頻率設(shè)置為3.5HZ
F0.2.29=10    主鉤一速頻率
F0.3.33=1    控制命令設(shè)置為外部端子控制
F1.0.03=8    加速時(shí)間設(shè)置為8S
F1.0.04=3    減速時(shí)間設(shè)置為3S
F1.1.13=4    載波頻率設(shè)置為4K
F1.4.39=200% 加減速電流限制水平
F1.4.42=0011  調(diào)頻限流調(diào)節(jié)器功能關(guān)閉
F3.0.00=1    DI1設(shè)置為多段速控制1
F3.0.01=2    DI2設(shè)置為多段速控制2
F3.0.02=3    DI3設(shè)置為多段速控制3
F3.0.03=7    DI4設(shè)置為正轉(zhuǎn)
F3.0.04=8    DI5設(shè)置為反轉(zhuǎn)
F3.0.05=13   DI6設(shè)置為故障復(fù)位
F3.1.12=6    DO1輸出設(shè)置為故障輸出
F3.1.21=71   TA-TC輸出設(shè)置為抱閘輸出
F3.1.27=0    監(jiān)控器1監(jiān)控變量設(shè)置為輸出頻率
F3.1.28=0    監(jiān)控器2監(jiān)控變量設(shè)置為輸出頻率
F3.1.30=6.5   監(jiān)控器1上限值設(shè)置為6.5%（3.25HZ）
F3.1.31=6.5   監(jiān)控器1下限值設(shè)置為6.5%（3.25HZ）
F3.1.32=13   監(jiān)控器2上限值設(shè)置為13%（6.5HZ）
F3.1.33=13   監(jiān)控器2下限值設(shè)置為13%（6.5HZ）
F5.3.29=1    下限頻率作用模式為低于下限頻率時(shí)輸出下限頻率
F6.0.00=20  主鉤二速頻率
F6.0.01=30   主鉤三速頻率
F6.0.02=40   主鉤四速頻率
F6.0.06=50 主鉤五速頻率
FF.0.00=0001 允許修改FF組參數(shù)
FF.0.01=14   SDO1為減速運(yùn)行過(guò)程中
FF.0.03=64   對(duì)SDO1取反 即非減速過(guò)程中
FF.0.04=27   選擇監(jiān)控器1
FF.0.05=14   減速過(guò)程中
FF.0.06=30   選擇監(jiān)控器2
FF.0.07=67   （SDO3、SDO4邏輯與即非減速過(guò)程中監(jiān)控器1有效）
FF.0.08=68   （SDO5、SDO6邏輯與即減速過(guò)程中監(jiān)控器2有效）
4.2起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點(diǎn)
       橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中，大車和小車一般由一臺(tái)變頻器帶多臺(tái)電機(jī)，因此變頻器采用U/F控制方式，而起升機(jī)構(gòu)為一對(duì)一控制，為獲得良好的性能采用無(wú)感矢量控制模式。為使起重機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)，使電磁制動(dòng)器與變頻器輸出轉(zhuǎn)矩平滑過(guò)渡，必須調(diào)整好電磁抱閘時(shí)序，而電磁制動(dòng)器抱閘和松閘瞬間，極易產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，不能平滑過(guò)渡。要解決這個(gè)問題主要從變頻器運(yùn)行時(shí)與制動(dòng)器動(dòng)作的配合時(shí)序上入手，若在起重機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)器松閘過(guò)早，易發(fā)生溜鉤，松閘過(guò)晚，電機(jī)堵轉(zhuǎn)，變頻器易報(bào)故障，而在停機(jī)過(guò)程中，若抱閘過(guò)早，沖擊電流大，變頻器易報(bào)故障，抱閘過(guò)晚，輸出力矩小，易發(fā)生溜鉤。因此，通過(guò)以下控制要點(diǎn)可以很好的解決此問題：
1）起重機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中的控制要點(diǎn)
       通過(guò)設(shè)定松閘頻率檢出值和檢測(cè)電流時(shí)間，在頻率到達(dá)檢出值同時(shí)，變頻器檢測(cè)輸出電流，當(dāng)電流足夠大時(shí)，電機(jī)的輸出力矩能抵消重物下降力矩時(shí)發(fā)出松閘信號(hào)，使制動(dòng)器電磁鐵動(dòng)作松開抱閘，電流維持時(shí)間應(yīng)大于電磁鐵動(dòng)作時(shí)間。同時(shí)還需要有其他參數(shù)及機(jī)械上的配合；如：變頻器的加減速時(shí)間以及電磁制動(dòng)器彈簧的松緊程度等。
2）起重機(jī)在停住過(guò)程中的控制要點(diǎn)
       設(shè)定抱閘頻率檢出值和頻率維持時(shí)間（一般大于制動(dòng)器動(dòng)作時(shí)間0.6S），在停機(jī)時(shí)，當(dāng)變頻器輸出頻率到達(dá)抱閘頻率時(shí)，變頻器輸出抱閘信號(hào)至制動(dòng)器，制動(dòng)器電磁鐵斷電抱閘動(dòng)作開始，此時(shí)維持一段時(shí)間，直至抱閘動(dòng)作完成，然后變頻器輸出頻率降為0Hz。具體控制邏輯如圖4所示。

5.結(jié)論
        通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，以及和該廠原有系統(tǒng)相比，調(diào)速精度高，運(yùn)行平穩(wěn)，加快了裝配速度，提高了工作效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低頻軟啟動(dòng)和軟停止，使系統(tǒng)啟動(dòng)和停止平穩(wěn)，降低了對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的沖擊，也降低了對(duì)電網(wǎng)的污染，使維護(hù)費(fèi)用大大降低，且節(jié)能效果顯著，充分驗(yàn)證的本文方案的有效性，和可行性。