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)以及電氣控制設(shè)備等四個(gè)部分組成。運(yùn)行機(jī)構(gòu)主要指主起升機(jī)構(gòu)、副起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)。在電氣控制系統(tǒng)中，其供電一般是通過小車導(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)通過吸合調(diào)速電阻上的不同接觸器來改變轉(zhuǎn)子線圈的電阻值，達(dá)到改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種控制系統(tǒng)有著許多缺點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差；繼電器-接觸器控制系統(tǒng)在頻繁切換的情況下，沖擊電流大，觸頭燒損、電刷冒火、電動(dòng)機(jī)以及轉(zhuǎn)子所串電阻燒損和斷裂故障時(shí)有發(fā)生，故障率很大。

3. 變頻調(diào)速系統(tǒng)特點(diǎn)

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）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動(dòng)加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。

（2）由于機(jī)械制動(dòng)器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動(dòng)信號(hào)與機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作信號(hào)的控制時(shí)序。

（3）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況研討如何處理這部分再生能量。

（4）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對(duì)這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。

根據(jù)以上起重機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，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）必須大于負(fù)載需求：

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)電阻一般按變頻器說明書上對(duì)變頻器與制動(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)在下降過程中再生電能能量大，時(shí)間長，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R_B 的計(jì)算

R_B的最小電阻值R_min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

4. 起重機(jī)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。

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感矢量控制模式。起重機(jī)在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤。在這個(gè)問題上主要考慮變頻器運(yùn)行時(shí)與電磁制動(dòng)器接觸器吸合的配合時(shí)間，若在上升，下降過程中制動(dòng)器打開過早，易出現(xiàn)溜鉤，打開過晚，變頻器容易報(bào)故障，在停車過程中，若抱閘過早，變頻器容易報(bào)故障，抱閘過晚容易出現(xiàn)溜鉤。所以，解決此問題的關(guān)鍵主要有兩點(diǎn)：

1）起吊重物停住控制要點(diǎn)

通過設(shè)定停止起始頻率，和維持時(shí)間（應(yīng)大于制動(dòng)電磁鐵抱閘時(shí)間0.6S），當(dāng)變頻器的工作頻率下降到時(shí)，變頻器輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)”，發(fā)出制動(dòng)電磁鐵斷電指令，此時(shí)維持一段時(shí)間，隨后變頻器工作頻率降為0Hz。

2）起吊重物起升降控制要點(diǎn)

設(shè)定“升降起始頻率”和檢測(cè)電流時(shí)間，當(dāng)變頻器到達(dá)的同時(shí)，變頻器開始檢測(cè)電流，確認(rèn)電流足夠大，產(chǎn)生的力矩能抵消下降力矩時(shí)發(fā)出送開指令，使制動(dòng)電磁鐵開始通電松開抱閘，應(yīng)大于電磁鐵松開時(shí)間。但還有其他參數(shù)及機(jī)械上的配合；譬如：變頻器的加減速時(shí)間，電磁制動(dòng)器彈簧的松緊程度等。具體控制邏輯如圖4所示。

結(jié)論

通過大量的現(xiàn)場(chǎng)裝備，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，在低速時(shí)啟動(dòng)力矩大，系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，減少了對(duì)減速機(jī)，聯(lián)軸器，鋼絲繩的機(jī)械沖擊，也降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，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。