橋式起重機是我國國民經(jīng)濟發(fā)展必不可少的設(shè)備，是大型制造業(yè)制造車間中重要的起重設(shè)備。在橋式起重機控制中，對設(shè)備運行平穩(wěn)、安全可靠要求很高。

本文主要介紹了海浦蒙特HD30系列變頻器及HDRU系列能量回饋單元在20噸橋式起重機上的成功應用，以及通過四象限變頻技術(shù)實現(xiàn)節(jié)能的成功解決方案。

1 橋式起重機系統(tǒng)特點

橋式起重機是橫架于車間、倉庫和料場上空進行物料吊運的起重設(shè)備。由于它的兩端坐落在高大的水泥柱或者金屬支架上形狀似橋，區(qū)別與其他起重設(shè)備故稱為橋式起重機。

橋式起重機的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運行，可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設(shè)備的阻礙。它是使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重機械。

橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構(gòu)（大車）、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。

起重小車由起升機構(gòu)、小車運行機構(gòu)和小車架三部分組成。起升機構(gòu)包括電動機、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機通過減速器，帶動卷筒轉(zhuǎn)動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物；小車架是支托和安裝起升機構(gòu)和小車運行機構(gòu)等部件的機架，通常為焊接結(jié)構(gòu)。

大車在高架軌道上運行由橋架兩側(cè)兩個電機驅(qū)動，實現(xiàn)縱向移動；小車在橋臂上運動由單獨一臺電機驅(qū)動，實現(xiàn)橫向移動；提升機構(gòu)安裝在小車上，由單獨一臺電機驅(qū)動，實現(xiàn)垂直方向運動。三組電機可以通過控制室分別實現(xiàn)方向的切換和加減速運行。

橋式起重機運行機構(gòu)的驅(qū)動方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動，即用一臺電動機帶動長傳動軸驅(qū)動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅(qū)動，即兩邊的主動車輪各用一臺電動機驅(qū)動?，F(xiàn)場為20噸的橋式起重機，均采用分別驅(qū)動方式，動力配置如表1所示。

表1  橋式起重機動力配置關(guān)系

控制室通過控制手柄把模擬量速度信號傳送至PLC系統(tǒng)；經(jīng)PLC系統(tǒng)處理后輸出至變頻器；變頻器根據(jù)PLC系統(tǒng)的運行命令及頻率參數(shù)驅(qū)動電機運行；同時PLC系統(tǒng)控制電磁制動器開閉剎，完成動力控制。

2 應用解決方案

2.1 系統(tǒng)配置

現(xiàn)場共四臺交流電機：兩臺5.5kW大車驅(qū)動電機、一臺4kW小車驅(qū)動電機、一臺22kW提升電機。

大車行駛驅(qū)動電機驅(qū)動大車在高架軌道上運行，其特點是跨度大、行駛距離長。為保證其長距離運行不傾斜，選用18kW的變頻器（HD30-4T018G，V/f控制方式）驅(qū)動兩臺5.5kW電機。排除電機滑差及驅(qū)動輪與軌道的壓力影響外，兩臺電機運行速度基本一致；

小車行駛驅(qū)動電機驅(qū)動小車在橋臂上運行，軌道跨度小，選用5.5kW變頻器（HD30-4T5P5G，V/f控制方式）驅(qū)動一臺4kW交流電機；

小車提升電機是整個系統(tǒng)中最關(guān)鍵的電機，要完成20噸工件的提升動作。選用37kW變頻器（HD30-4T037G，矢量控制方式）驅(qū)動一臺22kW提升電機。

電機及變頻器配套關(guān)系如表2所示。

表2  電機與變頻器配套關(guān)系

橋式起重機整個控制系統(tǒng)由控制室操作面板、PLC控制系統(tǒng)、變頻器驅(qū)動系統(tǒng)、電機系統(tǒng)和制動系統(tǒng)組成。PLC協(xié)調(diào)處理控制系統(tǒng)的輸入輸出命令，控制室操作面板輸出的運動方向、速度信號經(jīng)過PLC處理后控制相應變頻器運行。變頻器同時反饋運行信號至PLC，PLC判斷變頻器運行信號和輸出頻率，控制電磁制動器打開抱閘。相應的電機輸出動力。整個系統(tǒng)控制如圖1所示。

2.3 控制信號配線

大車、小車驅(qū)動變頻器驅(qū)動采用V/f控制方式運行，PLC控制系統(tǒng)給定運行方向命令、模擬量速度給定以及故障復位命令，變頻器反饋PLC變頻器運行狀態(tài)信號。

配線圖如圖2所示，參數(shù)設(shè)置見表3。

提升變頻器驅(qū)動電機為大慣量負載，其提升轉(zhuǎn)矩要求很高。在抱閘松開瞬間負載最大，此時電機仍處在零速狀態(tài)下。HD30采用無PG矢量控制，起動轉(zhuǎn)矩在0.5Hz可達180%額定轉(zhuǎn)矩，能滿足提升工況需求，保證提升系統(tǒng)無溜鉤現(xiàn)象。

提升機在下放工件（負載）時，在工件拖動下交流電機變成發(fā)電機，導致直流母線電壓升高。在常規(guī)變頻系統(tǒng)中會采用制動單元及制動電阻消耗直流母線上超出的電壓，以保證變頻器正常運行，而此處選用海浦蒙特HDRU-4T075能量回饋單元。能量回饋單元不僅可以節(jié)省制動單元與制動電阻的成本，更重要的是可以把直流母線上超出的電量逆變?yōu)楣ゎl交流電回饋到電網(wǎng)中，從而實現(xiàn)節(jié)能。

提升變頻器（含HDRU）配線圖如圖3所示，參數(shù)設(shè)置見表4。

2.4 參數(shù)設(shè)置

表3  大車、小車驅(qū)動變頻器參數(shù)設(shè)置

2.5 調(diào)試步驟

大車驅(qū)動變頻器調(diào)試

大車是一臺變頻器帶兩臺電機，調(diào)試時需先設(shè)置好最高運行頻率、加減速時間以及頻率給定通道，然后單臺進行點動實驗分別確認兩臺電機的正確接線順序。這樣才能避免兩臺電機方向相反而出現(xiàn)故障。

小車驅(qū)動變頻器調(diào)試

小車調(diào)試主要對電機最高運行頻率、加減速時間以及頻率給定通道進行設(shè)置，試機時還要注意控制桿指示方向與電機運行方向是否吻合，否則需要對變頻器運行方向進行設(shè)置。

提升驅(qū)動變頻器調(diào)試

提升驅(qū)動變頻器采用的是矢量控制，因此需要先按照電機銘牌參數(shù)設(shè)置好變頻器中電機參數(shù)信息。然后需要進行空轉(zhuǎn)自整定，這樣能達到優(yōu)越的矢量控制?，F(xiàn)場調(diào)試表明，空轉(zhuǎn)自整定要效果要明顯優(yōu)于靜止自整定效果。

能量回饋單元安裝簡單，將輸入(+)(-)分別與變頻器直流母線(+)(-)相連，輸出L1、L2、L3端子接工頻電網(wǎng)。設(shè)置回饋電壓為670V，其他參數(shù)為出廠值。在提升負載下放時能量回饋單元把直流母線上超出的電壓逆變?yōu)楣ゎl交流電回饋電網(wǎng)，保持變頻器直流母線電壓維持在安全的670V內(nèi)。

2.6 實際效果

整個方案接線精簡，控制簡易。試機操作提升15噸鋼件時，提升力矩充足，尤其在高速運行時性能平穩(wěn)；下放鋼件時能量回饋單元平均回饋電流在30A左右，節(jié)能效果顯著；同時，在水平方向的移動平滑，運動中加減速性能優(yōu)異。

整個調(diào)試過程無過流、過壓等故障出現(xiàn)，機器性能得到客戶及行車設(shè)備商的充分認可。特別是能量回饋單元的引入，把原本消耗在制動電阻上的能量變成交流電反饋電網(wǎng)，降低了起重機的能量消耗，得到了客戶的極好贊賞。

3 結(jié)束語

采用變頻控制技術(shù)實現(xiàn)橋式起重機的電機控制，改善了系統(tǒng)的控制性能、提高了控制精度和安全性。在提升方向上配備“變頻器+能量回饋單元”實現(xiàn)了行業(yè)中技術(shù)先進的四象限變頻技術(shù)，在提升設(shè)備節(jié)能方向上有很好的推廣意義。