摘要:本文介紹了橋式起重機(jī)的基本機(jī)構(gòu)，針對(duì)橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速進(jìn)行分析，并利用變頻調(diào)速技術(shù)與PLC控制相結(jié)合在橋式起重機(jī)中進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及研究。

關(guān)鍵詞:變頻調(diào)速變頻器橋式起重機(jī)

XuWei-Feng

(Zhejiangqilongcranesco.,Ltd,Shaoxing312043,ZhejiangProvince,China)

Abstract:Thispaperintroducesthebasicmechanismofoverheadcrane,andanalyzesthefrequencytransformerofvelocitymodulationofoverheadcrane.Italsodescribeshowtodesign,install,debugandresearchtheoverheadcranebyemployingthefrequencytransformerofvelocitymodulationandPLC.

Keywords:FrequencytransformerofvelocitymodulationInverterOverheadcrane

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，變頻調(diào)速技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，其中應(yīng)用于起重機(jī)械行業(yè)更為突出。這是因?yàn)樽冾l調(diào)速技術(shù)具有效率高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、起動(dòng)/制動(dòng)平穩(wěn)且沖擊小、可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速及節(jié)約電能等優(yōu)點(diǎn)。而到目前為止，國(guó)內(nèi)大部分橋式起重機(jī)仍然使用傳統(tǒng)的繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)起重機(jī)上各機(jī)構(gòu)起停及運(yùn)行速度的控制；但該傳統(tǒng)調(diào)速方式只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，起動(dòng)/制動(dòng)沖擊電流大，存在大量的轉(zhuǎn)差功率消耗于轉(zhuǎn)子串接的電阻上，致使電機(jī)的機(jī)械特性很軟，調(diào)速精度差、范圍小，并且對(duì)電動(dòng)機(jī)的電刷、滑環(huán)及制動(dòng)器有比較大的沖擊，維修率較高。所以，為滿足生產(chǎn)需要，提高設(shè)備的效益，降低維修率，節(jié)約電能等方面考慮，現(xiàn)利用變頻調(diào)速技術(shù)與PLC控制相結(jié)合對(duì)橋式起重機(jī)中進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試及研究。

一、橋式起重機(jī)的簡(jiǎn)述

橋式起重機(jī)是目前在工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重搬運(yùn)吊裝設(shè)備。其一般分為三個(gè)基本

機(jī)構(gòu)：用于提升重物的起升機(jī)構(gòu)、用于移動(dòng)重物的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)（即橋式起重機(jī)的小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)）和用于移動(dòng)重物的縱向移動(dòng)機(jī)構(gòu)（即橋式起重機(jī)的大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)），如圖1橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖1橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其中橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)是通過(guò)控制三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器和減速器帶動(dòng)繞有鋼絲繩的卷筒，使吊鉤升或降。而橋式起重機(jī)的兩個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)，也分別是通過(guò)控制三相異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)聯(lián)軸器和減速器帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

二、橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的概述

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的工作原理：在異步電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p和轉(zhuǎn)差率s一定的情況下，只改變異步電動(dòng)機(jī)的供電電源頻率f，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。但當(dāng)供電電源頻率f小于電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率內(nèi)變化時(shí)，因端電壓U≈（式中：E1－感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、f－供電電源頻率、w—串聯(lián)匝數(shù)、k—繞組系數(shù)、φ－電機(jī)的磁通），只有維持U/f為常數(shù)，才能保證電機(jī)的磁通φ不變，保證電動(dòng)機(jī)的性能不變。而當(dāng)供電電源頻率f大于電動(dòng)機(jī)的額定工作頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速，若仍維持U/f為常數(shù)，端電壓U將超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電壓，這是不允許的，因此，在實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速時(shí)，應(yīng)保持電源電壓不變并為額定值，僅使供電電源頻率f增加，電動(dòng)機(jī)磁通φ將減少，輸出轉(zhuǎn)矩也將隨之下降，而輸出功率近似恒定。

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速方式一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接轉(zhuǎn)矩控制方式。其中起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)一般采用閉環(huán)的矢量控制方式或閉環(huán)的直接轉(zhuǎn)矩控制方式；而移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般開(kāi)環(huán)的U/f控制方式或開(kāi)環(huán)的矢量控制方式。

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速一般分起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速和移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速，其主要由機(jī)構(gòu)中的變頻電機(jī)、變頻器、控制器件及線路保護(hù)開(kāi)關(guān)等組成。但為了防止變頻器對(duì)外界的干擾和對(duì)自身的保護(hù)、以及提高電機(jī)控制的精度，一般在變頻器周圍配有AC/DC電抗器、制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻、濾波器及傳輸卡件等。而其中，根據(jù)橋式起重機(jī)機(jī)構(gòu)用途的不同，在起升機(jī)構(gòu)所用的變頻電機(jī)內(nèi)都配備有光電旋轉(zhuǎn)編碼器，提高調(diào)速精度和響應(yīng)速度。同時(shí)控制器件采用PLC與繼電器相結(jié)合，取代過(guò)去采用交流接觸器控制，使控制系統(tǒng)可靠性高、應(yīng)用靈活、線路簡(jiǎn)單、易于使用及故障率低等。

三、橋式起重機(jī)的變頻調(diào)速設(shè)計(jì)

1、橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的硬件選擇

（1）變頻電機(jī)的選擇

a、起升機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)應(yīng)滿足：

（式中：P－電機(jī)容量（kw）；G－額定重量（kg），應(yīng)考慮125%的過(guò)載能力；v－額定線速度（m/min）；η－機(jī)械效率）。

b、移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)應(yīng)滿足：

（式中：P－電機(jī)容量（kw）；u—移動(dòng)阻力（kg）；V—額定速度（m/min）；η—機(jī)械效率）。在室外的情況下，移動(dòng)阻力中還須包括風(fēng)阻和由于移動(dòng)路徑的傾斜度（水平度）而加大的阻力等。

（2）變頻器的選擇

在選擇橋式起重機(jī)各機(jī)構(gòu)變頻器的容量時(shí)，通常用變頻器的輸出電流作為選擇條件。變頻器的銘牌輸出電流I1應(yīng)滿足以下條件：且（式中：Ie－電動(dòng)機(jī)額定電流；I0－電動(dòng)機(jī)最大工作電流，為靜載電流和動(dòng)載電流之和；K0－安全系數(shù)，重復(fù)短時(shí)工作制一般場(chǎng)合取1～1.1；K1－最大負(fù)載系數(shù)，即所需最大轉(zhuǎn)距與電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)距之比；K2－余量系數(shù)，一般取1.2；K3－變頻器過(guò)載能力系數(shù)，見(jiàn)產(chǎn)品手冊(cè)。）

（3）制動(dòng)電阻及制動(dòng)單元的選擇

制動(dòng)電阻阻值的計(jì)算基準(zhǔn)：變頻電機(jī)再生電能必須被制動(dòng)電阻完全吸收，即滿足R＝V²/Pe×Kc

；而制動(dòng)單元按制動(dòng)電流選擇，即滿足

(式中：R-制動(dòng)電阻等效電阻值；V－制動(dòng)單元直流工作點(diǎn)電壓，一般取700V；Pe－電機(jī)額定功率；Kc－制動(dòng)頻度，在橋式起重機(jī)中取0.2～0.4；K－回饋時(shí)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換效率，一般取0.7)。

（4）可編程控制器（PLC）的選擇

在橋式起重機(jī)中，由于各機(jī)構(gòu)的控制檔位一般為5檔，那么每個(gè)機(jī)構(gòu)所需的PLC總點(diǎn)數(shù)一般在19～20個(gè)點(diǎn)。對(duì)一臺(tái)三個(gè)機(jī)構(gòu)的橋式起重機(jī)一般所需的總點(diǎn)數(shù)在60個(gè)左右。

（5）其它電氣元器件按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，在此不作詳細(xì)說(shuō)明。

2、橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的電氣圖設(shè)計(jì)

現(xiàn)以安川變頻器為例，主要說(shuō)明橋式起重機(jī)變頻調(diào)速部分的電氣圖設(shè)計(jì)。橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速的電氣原理圖如圖2所示。起升機(jī)構(gòu)變頻電機(jī)內(nèi)配有旋轉(zhuǎn)編碼器，與安裝在變頻器內(nèi)的速度卡連接，構(gòu)成速度閉環(huán)控制。變頻器上的S1～S7、SC、MA、MB、M1、M2等控制點(diǎn)和控制電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行接觸器K7及制動(dòng)器動(dòng)作接觸器K8的線圈控制線路分別與所選PLC的輸入、輸出及電源點(diǎn)連接，通過(guò)PLC內(nèi)部程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速閉環(huán)控制。在變頻器電源輸入端子（R、S、T）和電源之間，配有漏電斷路器Q1和AC電抗器。其中漏電斷路器Q1的容量為變頻器額定電流的1.8倍，感應(yīng)電流在30mA以上,可以檢出對(duì)人體有危險(xiǎn)的高頻漏電流，防止事故的發(fā)生；而其AC電抗器和變頻器內(nèi)的DC電抗器可有效改善電源側(cè)的功率因數(shù)，降低對(duì)外界的干擾。

圖2起升機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速的電氣原理圖

橋式起重機(jī)移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速的電氣原理如圖3所示。移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速為開(kāi)環(huán)控制，無(wú)需配旋轉(zhuǎn)編碼器及速度卡。其它線路設(shè)計(jì)與起升機(jī)構(gòu)類似。

圖3移動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速的電氣原理圖

3、橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的程序設(shè)計(jì)

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的程序設(shè)計(jì)其實(shí)就是對(duì)所選PLC內(nèi)的程序設(shè)計(jì)。PLC的程序設(shè)計(jì)一般采用梯形圖或指令表兩種方式進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的PLC程序分兩部分：運(yùn)行控制程序和通信接口程序。一般橋式起重機(jī)變頻調(diào)速主要的程序是運(yùn)行控制程序，而對(duì)于通信接口程序只有在PLC配有觸摸屏?xí)r才會(huì)涉及到。橋式起重機(jī)每個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制程序基本由電氣保護(hù)、檔位控制、制動(dòng)器及電機(jī)風(fēng)扇運(yùn)行程序段組成。其中檔位控制就是橋式起重機(jī)司機(jī)室內(nèi)聯(lián)動(dòng)控制臺(tái)的檔位變化，通過(guò)PLC內(nèi)的程序運(yùn)行，控制變頻器的多段速指令變化，而使變頻器輸出頻率隨檔位變化而按預(yù)設(shè)好的頻率發(fā)生變化。

四、橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的安裝調(diào)試

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速控制柜在柜內(nèi)安裝時(shí)，變頻器上下離柜體或其它元件的距離應(yīng)在120mm以上，左右離柜體或其它元件的距離應(yīng)在30mm以上，而且變頻器和PLC最好不要在同一個(gè)柜內(nèi)，避免相互間的影響。變頻器和PLC的控制回路接線應(yīng)采用屏蔽電纜，盡可能與動(dòng)力線分離走線。變頻器及PLC的接地采用C種接地，與電焊機(jī)、動(dòng)力設(shè)備等接地分離，其接線應(yīng)盡可能短。

橋式起重機(jī)變頻調(diào)速的調(diào)試一般有以下幾步：（1）調(diào)試前對(duì)所有設(shè)備、線路接線進(jìn)行檢查，測(cè)量電氣線路在運(yùn)輸安裝過(guò)程的損傷情況，以及電網(wǎng)供電是否存在缺相現(xiàn)象；（2）將預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序輸入到PLC內(nèi)，這步也可在柜體制作過(guò)程中進(jìn)行；（3）對(duì)變頻器上電檢查后，通過(guò)變頻器上的控制屏對(duì)電機(jī)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)操作，看其旋轉(zhuǎn)方向是否正確；然后選擇適合電機(jī)的自學(xué)習(xí)方式，對(duì)電機(jī)進(jìn)行自學(xué)習(xí)。若選擇了旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)，就必須將負(fù)載脫離，并確保電機(jī)可安全旋轉(zhuǎn)；（4）設(shè)置所選控制模式對(duì)應(yīng)的參數(shù)及其它相應(yīng)參數(shù)（其具體設(shè)置參見(jiàn)各自所選的變頻器使用手冊(cè)），并確定所有設(shè)備通電均無(wú)異常后，進(jìn)行橋式起重機(jī)空載調(diào)試。（5）空載調(diào)試好后，帶上額定負(fù)載進(jìn)行滿負(fù)載調(diào)試。在滿負(fù)載調(diào)試時(shí)，適當(dāng)改變變頻器的加減速時(shí)間參數(shù)值，使加減速時(shí)間調(diào)整達(dá)到最佳值。若起升機(jī)構(gòu)滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)明顯的溜鉤想象，就需要調(diào)整變頻器內(nèi)的制動(dòng)參數(shù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

橋式起重機(jī)采用變頻調(diào)速后，經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，運(yùn)行效果良好，性能穩(wěn)定可靠，故障維修率明顯減少，達(dá)到了用戶的預(yù)期目標(biāo)，為用戶創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟(jì)效益，受到了許多用戶的好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

1、通用橋式起重機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14405－93；

2、起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)中國(guó)鐵道出版社1998.3；

3、安川變頻器使用手冊(cè)；

4、起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GBT3811-2008。