橋式起重機電氣控制電路的變頻改造

1、橋式起重機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橋式起重機主要由主鉤（15T ）、副鉤（3T ）、大車和小車四部分組成。大車的軌道敷設(shè)在沿車間兩側(cè)的立柱上，大車可在軌道上沿車間縱向移動；大車上有小軌道，供小車橫向移動；主鉤和副鉤都裝在小車上，主鉤用來提升重物，副鉤除可提升輕物外，也協(xié)助主鉤翻轉(zhuǎn)或傾倒工作用，但不允許兩鉤同時提升兩個物件。1 問題提出橋式吊車電氣傳動共有大車電動機2臺，小車電動機1臺，共5臺，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速。由于工作環(huán)境惡劣，粉塵或有害氣體對電動機集電環(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

2、蝕嚴(yán)重、電刷冒火，電動機轉(zhuǎn)子繞組所串的電阻因長期發(fā)熱而燒損、斷裂，因此故障率較高。電動機轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速，機械特性軟，負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速效果差；轉(zhuǎn)子繞組串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。平均每月發(fā)生較大的故障5次，對生產(chǎn)影響較大。因此，要從根本上解決橋式吊車的各種弊端，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)來解決。2 改造方案橋式吊車電氣傳動系統(tǒng)選用了功能強、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

3、重機的5臺電動機都需要調(diào)速，因而各有獨立的調(diào)速系統(tǒng)。其中主鉤、輔鉤是位能負(fù)載，要求恒力矩、四象限運行，性能要求高，調(diào)速控制較為復(fù)雜。橋式起重機要求起動力矩大，低速時需大力矩輸出，一般U/f控制，轉(zhuǎn)差頻率控制的變頻器無法滿足負(fù)載變化劇烈要求。磁通矢量控制方式是基于電動機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過坐標(biāo)變換把異步電動機模仿成直流電動機的控制方法，即將異步電動機的定子電流分解成產(chǎn)生磁場的電流分量（勵磁電流）和與磁場相垂直的產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電流分量（轉(zhuǎn)矩電流），通過控制電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流大小、相位，就可以對電動機的勵磁電流和轉(zhuǎn)矩電流大小、相位任意控制，從而達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)矩的目的，也就控制了電動機的轉(zhuǎn)速。因

4、而采用磁通矢量控制方式的變頻器，調(diào)速范圍寬、過電流抑制能力強、轉(zhuǎn)矩控制性能好，尤其可以控制靜止轉(zhuǎn)矩，滿足主、副鉤電動機的工作要求。大車、小車只用一般的變頻調(diào)速U/f控制即可，且大車兩邊的兩臺相同型號電動機只用一臺變頻器拖動，只要變頻器的容量足夠就沒問題。正常的情況下，大車由一臺變頻器控制兩臺電動機同時得電，就能滿足同步的要求。若有一臺電動機有斷路或匝間短路，造成三相不平衡，可利用零序互電流感器，將零序電流信號傳給晶體管放大器，放大后傳給繼電器，再由繼電器控制開關(guān)設(shè)備，使其斷開電源；若有一臺電動機完全不得電，而三相是平衡的，可在兩臺電動機總線路上安裝欠電流繼電器，當(dāng)總電流小于某值時說明有一臺電動

5、機不得電，欠電流繼電器動作，切斷大車控制電路；當(dāng)某一臺電動機過載時，過電流繼電器會動作，切斷電源。2.2 器件型號選擇和主要參數(shù)設(shè)定當(dāng)橋式起重機的主鉤電動機快速制動或帶著位能負(fù)載快速下降時，電動機工作在發(fā)電狀態(tài)，此時電動機所產(chǎn)生能量如不及時回饋給電網(wǎng)或用外部電阻消耗掉，既不能獲得足夠大的制動轉(zhuǎn)矩，還會導(dǎo)致變頻器過電壓跳閘，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系列是起重機專用變頻器，具備磁通矢量控制模式，采用正弦波PWM 控制，特別裝備有專為控制橋吊和完成自動調(diào)整功能的智能軟件，內(nèi)置能量回饋再生制動單元和交流輸入電抗器，完全滿足橋式起重機的工況要求，還具有明顯的節(jié)能

6、效果。器件型號的選擇和主要參數(shù)的設(shè)定，如表1、表2所示。表1 橋式起重機變頻器的選型 轉(zhuǎn)子回路三相引出線分別焊接在一起即可。表2 橋式起重機變頻器的主要參數(shù)設(shè)定值 注：要設(shè)定Pr96(自動調(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主鉤為例，PLC 與主鉤電動機變頻器的接線如圖2所示，電磁制動控制電路如圖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)，是為了在需要時保持異常信號，便于控制和分析原因。否則，當(dāng)保護回路已經(jīng)動作時，若斷開變頻器電源側(cè)的電磁接觸器KM ，則變頻器控制電路電源也斷開，異常輸出信號不能保持。STF （或STR ）的閉合能使電

7、動機保持正轉(zhuǎn)（或反轉(zhuǎn)）狀態(tài)，RH （高）、RM （中）、RL （低）的不同動作組合，可使變頻器多段速運行。主鉤電動機的負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，低速時要有大轉(zhuǎn)矩輸出。采用順序起動、逆序制動控制。所有的時序控制和端子均由PLC 編程控制，簡單、可靠、靈活。圖3中，主鉤的電磁制動器控制過程：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，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（此刻變頻器已能通過電動機輸出足夠大的起升力矩），此信號回饋到變頻器，電動機開始運轉(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時，如果過早制動，就會磨損

8、制動機構(gòu)，縮短機械壽命；若在電動機停轉(zhuǎn)時才進(jìn)行制動，電磁制動滯后動作會引起輸出力矩不足使重物跌落。因此，在電動機減速制動時，將能量回饋再生單元投入運行，采用低速制動的方法，當(dāng)變頻器頻率下降至設(shè)定頻率時（例如6HZ ），端子RUN 輸出高電平，KA1不吸合， KM1就斷開，YB 制動、主鉤電動機停止，從而克服了過早過晚制動的弊端。當(dāng)變頻器故障或提升限位開關(guān)動作時，KM1 斷開、YB 制動、主鉤電動機停 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 高的安全可靠性。 4 結(jié)束語 表 4 為起重機改造前、后的部分運行參數(shù)對比，可見改造后的起 動電流和穩(wěn)態(tài)電流都比改造前小了許多。

9、 采用專用變頻器調(diào)速系統(tǒng)改造后的橋式起重機， 經(jīng)柳工機械工程 公司總裝車間的橋吊一年多的實踐應(yīng)用證明，重載低速起動可靠、運 6 行穩(wěn)定，加減速時間的設(shè)定使各檔起動、制動速度相當(dāng)平穩(wěn)，控制精 度高。利用頻率檢測信號控制制動器開閉，解決了溜鉤問題。利用電 源回饋技術(shù)把電動機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 的控制使電動機主電路實現(xiàn)了無觸點化， 減少了故障點和故障率，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步提高。取消了傳統(tǒng)的 電動機轉(zhuǎn)子串電阻起動，每臺起重機每年僅節(jié)約就達(dá) 11 萬元，每年 節(jié)省電費、維修費、人工費等共計為 55 萬元，間接的經(jīng)濟效益約為 76 萬元。因此變頻調(diào)速系統(tǒng)在橋式起重機中應(yīng)用推廣，具有很好的 發(fā)展前景。 設(shè)備名 稱 大車 小車 主鉤 副鉤 起重機電氣控制電流改造前 電流改造前、 表 4 起重機電氣控制電流改造前、后的部分運行參數(shù)對比 原電動機容 變頻器容 電動機起動電流/A 電動機穩(wěn)態(tài)電流/A 量及額定電 量及額定 改造前 改造后 改造前 改造后 流 電流 9.5KW/20A 22KW/45A 76 42 41 37 20 臺 4.2KW/9A 7.5KW/15A 25 16 8.6 7 72KW/141A 90KW/178A 198 161 1