摘 要: 本文主要介紹起重機械實現(xiàn)大噸位高速比存在的技術難題，針對這些難題進行了分析，提出了解決這些疑難問題的方法。其研制成果已成功應用于緬甸耶涯250t門式起重機電氣系統(tǒng)中,收到了良好的效果。該項目已立項為2008年浙江省重大科技專項。它的研制成功，將為提高我國自主創(chuàng)新能力，加快起重機械電氣技術的發(fā)展起到拋磚引玉的作用。 1 引言 　　由于工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，生產效益日益提高，以及產品生產過程中物料裝卸搬運費用所占比例逐漸增加，促使大型高速起重機的需求量不斷增長，起重量要求越來越大，工作速度要求越來越高。同時要求起重機械重載時能平穩(wěn)啟動不溜鉤，且能長期低速運行（速度達0.05m/min），準確對位 ;輕載時能高速運行，提高工效。 　　我國目前的起重機械在關鍵性的核心技術方面還不能滿足這種大噸位高速比的要求，只能從國外進口。這些未解決的關鍵技術主要有以下幾方面： 　　1）國產變頻電機在起升位能性負載上滿足不了高速比（>1:20）的要求，易產生溜鉤現(xiàn)象。 　　2）變頻器輸出的低頻脈動難以實現(xiàn)位能負載低頻穩(wěn)定運行。 　　3）由于現(xiàn)場及制造條件的限制，起重機械向大噸位方向發(fā)展存在一定的瓶頸現(xiàn)象。 　　要研制這種大噸位高速比新型起重機械，就需解決以上三方面的關鍵技術問題。一旦研制成功并推廣應用，實現(xiàn)產業(yè)化，不但大大提高我國起重機械產品的技術水平，實現(xiàn)可觀的經濟效益，而且為變頻技術在起重機械領域的應用打開一個新的局面，真正實現(xiàn)跨越式發(fā)展，擺脫大噸位高速比起重機械長期依賴從國外進口的被動局面。 2 高調速比新型變頻電機的研制 [align=center] 圖1 電機負載特性[/align] 　　目前普通變頻電機負載特性如右圖1a所示，其基頻為50Hz,5～50Hz為恒轉矩調速，電機輸出額定轉矩，50～100Hz為恒功率調速。在5Hz以下，電機輸出轉矩大大低于額定轉矩，因而電機難以實現(xiàn)重載啟動，易發(fā)生溜鉤現(xiàn)象，不能長期低頻穩(wěn)定運行。在50～100Hz恒功率段，允許負載轉矩反時性下降，往往會出現(xiàn)空中起吊加 速力矩不夠的現(xiàn)象。為此，要實現(xiàn)高速比（>1：20）,必須研制新型變頻電機，使其達到如圖1b所示的負載特性。為此將采取如下措施： 　　1）定子繞組設計時采用多槽和短距繞組，提高基波繞組系數(shù)，降低高次諧波（尤其是5次、7次諧波）。盡可能減小定子的集膚效應，并采用多根互相絕緣的導體并聯(lián)。 　　2）為了減小低頻運行轉矩脈動幅值，設計轉子繞組時適當增加轉子繞組的電感L,減小轉子繞組電阻R2,以增大轉子繞組的時間常數(shù)。 　　3）轉子槽形設計成寬而淺的轉子槽形，以降低轉子損耗和削弱諧波集膚效應的影響，降低高次諧波產生的附加損耗，同時減少轉子漏抗，抑制高次諧波電壓。 　　4）為了避免由于扭斜漏磁通產生的諧波損耗，轉子采用直槽。 　　5）電機的硅鋼片采用優(yōu)質的冷軋無取向硅鋼片。 　　6）電磁線采用H級絕緣電磁線。 　　7）為滿足低頻長期穩(wěn)定運行的工況，需加大強制性風冷的排風量。 　　同時開發(fā)變頻控制技術，使變頻器輸出電壓在基頻點至未飽和狀態(tài)，以提高高速運行的額定轉矩，從而保證電機在高速時具有足夠的加速力矩，使電機在1Hz就能輸出額定轉矩，并能穩(wěn)定運行于2～100Hz，從而使調速比達到1:50。 3 采取措施解決低頻脈動及給定干擾問題 　　解決起升機構在5Hz以下低頻轉矩脈動問題，除改變電機的轉子繞組以外，起升變頻傳動系統(tǒng)需要建立閉環(huán)控制，同時增大閉環(huán)編碼器的檢測頻率。為確保變頻器給定不受干擾的影響，變頻輸入采用數(shù)字量輸入，通過變頻器內部數(shù)字量接口模塊DI-16H,自動轉變成模擬量，以解決變頻器輸出轉矩低頻脈動及給定輸入不穩(wěn)定的問題。 4 通過MPI網絡來解決大噸位問題 　　隨著起重量的不斷增大，電機、制動器、減速器等設備的容量相應要增大，但不可能無限制地增大，同時，又受到現(xiàn)場輪壓、軌距等多方面的限制，實現(xiàn)大噸位確實存在一定的難度。為此。開發(fā)了兩臺獨立起重機通過MPI網絡實現(xiàn)抬吊的功能（如右圖示），使整體起重量增加了一倍以上，為解決大噸位問題找到了一條捷徑。要實現(xiàn)MPI網絡功能，在硬件設計上，兩臺起重機電控系統(tǒng)均采用西門子S7-300PLC，并通過適配器和PROFIBUS-DP通訊電纜將兩臺起重機PLC上的MPI口相連。在軟件設計上，將各機構的控制及狀態(tài)字節(jié)放在DB3數(shù)據(jù)庫中，再通過MPI網的單邊編程通信方式，即客戶機與服務器的訪問模式。通過調用SFC67（X-GET）和SFC68（X-PUT）,將它車的DB3數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)讀回并存放到本車的DB4數(shù)據(jù)區(qū)中，同時將本車的DB3數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)放至它車的DB4數(shù)據(jù)區(qū)中，以實現(xiàn)兩臺起重機的數(shù)據(jù)交換。在操作上，兩臺起重機抬吊時，首先將兩臺起重機通過機械拉桿鎖定位置。當并車運行時，首先通過聯(lián)動臺轉換開關確定哪臺車為主車或副車，再在主車聯(lián)動臺上另外一個轉換選擇開關選出“本車”、“并車”、“它車”，這樣就可以在主車上同時或單獨操作2臺起重機的主、副起升和大、小車運行機構，達到并車同步和單獨調整使用的目的。2臺起重機中的任意一臺都可作為主車，主車上可以完成本車操作、它車操作和并車操作。 5 隨動跟蹤系統(tǒng)的研制 　　為實現(xiàn)兩臺起重機并車抬吊功能，開發(fā)了一套雙吊點隨動跟蹤系統(tǒng)，即在兩臺起重機的起升卷筒上分別安裝了高度檢測絕對值編碼器AVM58，通過其SSI口將檢測的高度信號傳至PLC位置檢測模塊SM338。抬吊時，保持主車起升速度不變，它車速度根據(jù)兩吊點位置差，超過給定的偏差范圍作相應的調整，以便兩吊點的高度差始終控制在一定范圍內。為提高其控制精度，起升系統(tǒng)高速軸上安裝了增量型編碼器，由此組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，其速度靜態(tài)精度可達0.02%。 6 研制成果的應用 如右圖所示，以我單位簽訂合同的緬甸耶涯水電站兩臺250（120）t/40（8）t電站廠房門機（要求抬吊）為依托工程，從而完成大噸位高速比新型起重機械的研制工作。 　　緬甸耶涯水電站為東南亞最大的水電站，發(fā)電廠房內將安裝4臺195MW的立式混流式發(fā)電機組。擔任其吊裝任務的是兩臺跨度為25.5m的250（120）t/40（8）t電站單小車門式起重機，吊運460t發(fā)電機轉子時將用500t平衡梁由兩臺門機抬吊完成。 　　主起升機構額定起重量為250/120t，起升速度為0.05～0.5/0.15～1.5m/min, 　　調速范圍為1:30,為此開發(fā)新型變頻電機YZPTFM315M2-8CTH S3 40% 45KW。通過試驗新型變頻電機具有如下特性： 　　1）基頻: 30HZ（45KW 330V 436 r/min 988N.m） 　　2）最低頻率: 3HZ時, 穩(wěn)定輸出轉矩為1000N.m，大于額定負載轉矩，同時輸出的最大啟動轉矩與額定負載轉矩（250t）之比為3。 　　3）最高頻率：90HZ時, 穩(wěn)定輸出轉矩為325N.m，大于額定負載轉矩，同時輸出的最大啟動轉矩與額定負載轉矩（120t）之比為2。 　　以上參數(shù)能滿足低頻穩(wěn)定運行，高速運行的要求。同時采用了安川變頻器CIMR-G7A4075,閉環(huán)控制。 　　副起升機構額定起重量為40/8t，起升速度為0.3～3/1.5～15m/min,調速范圍為1:50，為此開發(fā)新型變頻電機YZPTFM315M1-8CTH S3 40% 30KW。通過試驗新型變頻電機具有如下特性： 　　1）基頻: 20HZ（30KW 265V 287r/min 990N.m） 　　2）最低頻率: 2HZ時, 穩(wěn)定輸出轉矩為1000N.m，大于額定負載轉矩，同時輸出的最大啟動轉矩與額定負載轉矩（40t）之比為1.8。 　　3）最高頻率：100HZ時, 穩(wěn)定輸出轉矩為195N.m，大于額定負載轉矩，同時輸出的最大啟動轉矩與額定負載轉矩（8t）之比為2.1。 　　以上參數(shù)能滿足低頻穩(wěn)定運行，高速運行的要求。同時采用了安川變頻器CIMR-G7A4075,閉環(huán)控制。 　　兩門機電氣系統(tǒng)通過軟硬件的配置與開發(fā)，組成了一個MPI網絡實時控制系統(tǒng)，對低頻脈動、防溜鉤、運行同步的方面采取相應的措施。并進行了優(yōu)化設計及模擬性試驗。 7 結束語 　　兩門機電氣系統(tǒng)經現(xiàn)場試驗：主起升并車抬吊500t，啟制動平穩(wěn)，不溜鉤，其同步偏差控制在1%以內。副起升機構能在1:50調速范圍內穩(wěn)定運行，低速運行穩(wěn)定，實現(xiàn)了起重機械大噸位高速比的要求，深受用戶好評。同時人機界面檢測系統(tǒng)和地面遙控操作系統(tǒng)的加入，更進一步提高了整機的智能化水平，為國內起重機械電氣系統(tǒng)向更優(yōu)更新發(fā)展奠定了基礎。同時該研制成果可廣泛運用于冶金、建筑、港口、核電等領域起重機械中，前景十分廣闊。