1、前言

橋式起重機是工業(yè)生產(chǎn)中大量應(yīng)用的提升設(shè)備，隨著工業(yè)生產(chǎn)對起重機調(diào)速性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的起重機調(diào)速方法（主要是繞線異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)）現(xiàn)場維護量大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。普傳科技開發(fā)的基于PI9000矢量控制技術(shù)平臺的PI9200C起重專用變頻器在起重行業(yè)取得了廣泛應(yīng)用，提高了生產(chǎn)效率，受到用戶好評。

2、傳統(tǒng)橋式起重機運行情況

橋式起重機是工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機械。傳統(tǒng)電力拖動系統(tǒng)主要有起升機構(gòu)和平移機構(gòu)，一般采用YZR繞線式交流異步電機轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串電阻調(diào)速，由凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。實際運行中存在以下問題：

1）起升機構(gòu)（吊鉤主升降、副起升）、平移機構(gòu)（大車、小車）拖動運行系統(tǒng)采用變阻調(diào)速，運行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質(zhì)，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生。

2）電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。

3）由于現(xiàn)場環(huán)境中的金屬粉塵、有害氣體對電動機有侵蝕左右，再加上繼電器、接觸器控制系統(tǒng)切換頻繁，起動時沖擊電流大，因此觸頭燒損、電動機燒損故障時有發(fā)生，故障率高。

4）調(diào)速平滑性差，對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊大，影響使用壽命。

5）系統(tǒng)抱閘是在運動狀態(tài)下進行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴(yán)重而引起的安全隱患。

隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和軟件技術(shù)的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可實現(xiàn)橋式起重機的起升機構(gòu)和平移機構(gòu)的無級調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運行的安全性和精確性。

3、變頻調(diào)速改造方案

鑒于傳統(tǒng)起重機存在以上問題，客戶要求對橋式起重機的吊鉤升降電力拖動系統(tǒng)和大、小車電力拖動系統(tǒng)進行技術(shù)改造，為克服繞線式電機串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造起重機傳動系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全頻率（0～50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制，降低對機械傳動的沖擊，以改善其操作性能、降低故障率和能耗率。

3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)場實際需要、成本、安裝條件等因素，提出2種變頻調(diào)速系統(tǒng)方案。

3.1.1：變頻調(diào)速電機+矢量變頻器

將起升機構(gòu)的YZR繞線電機更換為YZP冶金起重專用變頻調(diào)速電機。

針對冶金起重機械開發(fā)的專用變頻電機將起重機冶金用三相異步電動機的特點與變頻調(diào)速的優(yōu)點集于一體，與變頻裝置組成的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速；達到節(jié)能和控制自動化的目的。由于具有效率高、調(diào)速范圍廣、精度好、起制動運行穩(wěn)定，且過載能力大等特點，特別適用于需要變頻調(diào)速，短時或斷續(xù)周期運行、頻繁起制動的場合。

YZP電機基本技術(shù)指標(biāo)：①符合IEC34-1和GB755標(biāo)準(zhǔn)的要求，安裝尺寸符合IEC72國際標(biāo)準(zhǔn)；②電動機額定電壓為380；V③變頻范圍1～100Hz。1～50Hz為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，50～100Hz為恒功率調(diào)速；④電動機外殼防護等級為IP54以上，絕緣等級為F級，也可以根據(jù)用戶要求制成H級；抗機械震動、沖擊,適應(yīng)頻繁起動、制動,正、反轉(zhuǎn)；⑤帶專用冷卻風(fēng)機(起升電機)，能連續(xù)低頻運行；⑥電機與矢量控制變頻器具有良好的匹配性，充分發(fā)揮矢量控制變頻器的性能。

為了提高低速傳動時的動態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，變頻電機也可以采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。

3.1.2：繞線電機+矢量變頻器

電動機采用原有的繞線電機。

由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機與通用或其它異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應(yīng)考慮紋波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機額定電流往往較大；變頻器輸出為基于PWM幅值頻率可調(diào)的正弦波，針對未作特殊處理的YZR電機，在低速由于變頻器輸出特性以及電機磁通狀況，電機輸出力矩存在一定的影響；如果現(xiàn)有YZR電機不進行更換，僅短接滑環(huán)后，采用變頻驅(qū)動，那么主起升、副起升機構(gòu)安全可靠運行的起重量不能達到銘牌標(biāo)定的額定載荷，理論測算可靠運行起重量約為下降5%左右。

此方案優(yōu)點是設(shè)備改造成本低。

3.2電控系統(tǒng)基本方案

1）電氣控制系統(tǒng)：取消原各電氣控制柜和繼電器、接觸器更換為新電氣控制柜，控制柜采用封閉式另加散熱風(fēng)扇、空氣過濾器，是用來防護粉塵對電氣元件的危害。

2）起升機構(gòu)：慣量較小，負(fù)載變化大，屬于位能性負(fù)載；采用矢量變頻器驅(qū)動YZP專用電機，一拖一配置。

3）平移機構(gòu)：平移機構(gòu)慣量較大，負(fù)載變化相對小，屬于阻力性負(fù)載。大車采用一臺變頻器驅(qū)動2臺電機同步運行，小車采用一拖一配置。

4）控制方式：根據(jù)變頻器的控制方式，有V/F控制，開環(huán)矢量控制SVC和閉環(huán)矢量控制，更高端的是直接轉(zhuǎn)矩DTC控制，為獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式。

5）制動方式：采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方式。當(dāng)采用變頻器傳動的起升機構(gòu)拖動位能性負(fù)載下放或平移機構(gòu)急減速、順風(fēng)運行時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構(gòu)的機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。①在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；②采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動。為安全考慮，還必須同時采取電磁制動器進行機械制動以配合可靠完成作業(yè)。

6)防溜鉤控制：橋式起重機控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由于停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。在這個問題上，主要用變頻器運行參數(shù)設(shè)置與變頻器的制動單元、制動電阻和液壓制動器的配合而達到完美的效果。

矢量控制變頻器的自動轉(zhuǎn)矩提升和預(yù)勵磁功能，使電機保持足夠大的轉(zhuǎn)矩防止溜鉤。

7）操作方式：改造后的系統(tǒng)不改變原司機操作習(xí)慣和方式。平移大車的左、右行及速度擋；小車的前、后行及速度擋都可以采用變頻器的多段速度功能實現(xiàn)。控制地選擇有：本地控制（控制盤）；遠(yuǎn)程控制（端子控制和現(xiàn)場總線控制）。

8）保護功能：專用變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時，變頻器給出故障信號，并停止輸出，切斷變頻器電源，控制制動器抱閘，并發(fā)出報警信號。

圖1起重機變頻系統(tǒng)改造示意圖

3.3主器件選型

根據(jù)以上方案的變頻調(diào)速系統(tǒng)主器件有：變頻器、制動單元、制動電阻等

3.3.1起升機構(gòu)

變頻器的選型主要依據(jù)電機的額定電流和最大工作電流及變頻器提供的轉(zhuǎn)矩，根據(jù)一定的過載系數(shù)比例確定變頻器的輸出電流，再得出變頻器的容量。

ICN≥kIM

式中k——電流系數(shù)（PWM調(diào)制方式時取1.5～2.0）

ICN——變頻器額定輸出電流A

IM——工頻電源時的電動機額定電流A

起升機構(gòu)要求的起動轉(zhuǎn)矩為1.3—1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉(zhuǎn)矩需有1.6—2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=在1.5和2.0之間。

3.3.2平移機構(gòu)

起重機的平移機構(gòu)分大車機構(gòu)和小車機構(gòu)，兩種機構(gòu)一般采用多臺電動機傳動方案。由于起重機平移機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉(zhuǎn)矩，因此起重機平移機構(gòu)所需的電動機軸輸出功率PM應(yīng)由負(fù)載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由于平移機構(gòu)采用一臺變頻器拖動多臺電動機的開環(huán)控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：

ICN≥k*nIM

式中k——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時取1.05～1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流A

IM——工頻電源時的電動機額定電流A

n——一臺變頻器拖動的電動機數(shù)量

3.3.3制動單元和制動電阻

可采用能量回饋制動或者制動電阻消耗制動。

由于平移機構(gòu)屬于摩擦負(fù)載，其制動單元和制動電阻可按變頻器的標(biāo)準(zhǔn)配置。

4、改造實例

4.1起重機概況

開灤集團某礦16/5噸橋式起重機，主要吊裝的載荷為礦山機械。起重機基本數(shù)據(jù)如表1：

表1：橋式起重機數(shù)據(jù)

4.2變頻系統(tǒng)改造

4.2.1變頻器選型

本案現(xiàn)場改造的變頻器采用普傳PI9230C系列起重專用變頻器。該變頻器針對起重行業(yè)應(yīng)用設(shè)計，保證起重機使用的安全性、可靠性和高效性。硬件采用美國TI公司電機專用控制芯片DSP，搭載英飛凌公司第五代IGBT，內(nèi)置起重專用軟件，具有高性能矢量控制、過載能力強（額定電流150%可達60秒，200%可達3秒）、高啟動轉(zhuǎn)矩（（FOC+PG模式可以在極低轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生高達180%的初始轉(zhuǎn)矩，100%快速響應(yīng)沖擊瞬間負(fù)載）、防溜鉤功能。采用矢量控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。在滿足沖擊性負(fù)載、重負(fù)荷應(yīng)用的同時，還能完美呈現(xiàn)起重行業(yè)的工藝控制特性，增進系統(tǒng)效能，達到了快速反應(yīng)，平穩(wěn)安全運行的要求。

其安全性和可靠性主要表現(xiàn)在：

1)預(yù)勵磁及起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補償：預(yù)勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉(zhuǎn)矩，并通過設(shè)定起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補償值和調(diào)節(jié)勵磁的時間，使電動機的起動與機械制動器的釋放時間相配合，避免出現(xiàn)“溜鉤”現(xiàn)象；

2)變頻器有速度監(jiān)視快速停車及超速保護和轉(zhuǎn)矩監(jiān)控；支持3種快速停車模式：電氣制動的停車、電氣制動加機械制動的停車、機械制動的停車。

3)抱閘邏輯控制與監(jiān)控功能：準(zhǔn)確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實時狀態(tài)反饋和起動預(yù)轉(zhuǎn)矩補償，確保控制的安全性和可靠性。

盡管起重機起升機構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量很小，但其加速時間較短，同時考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，以及安監(jiān)部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構(gòu)電動機的變頻器容量。

本項目主副升降電機選用專業(yè)廠家生產(chǎn)的冶金起重專用變頻電機，配置相應(yīng)的PI9200C矢量型變頻器，設(shè)備規(guī)格如表2：

表2：起重機電機及變頻器配置

4.2.2制動單元和制動電阻

當(dāng)電動機處于反接制動或再生制動狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過高而使直流過壓保護動作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設(shè)制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。大車、小車、主副升、降的制動單元均選用與普傳變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接PB6024制動單元和變頻器專用制動電阻器，見表3。

表3制動系統(tǒng)配置

4.3參數(shù)設(shè)置及注意事項

針對不同載荷和工作制的起重機，變頻器參數(shù)設(shè)置（啟動方式、電機自學(xué)習(xí)、防溜鉤、制動方式等）尤為重要，合理且互相匹配的參數(shù)是保證起重電氣系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)。表4為本案例的參數(shù)設(shè)置。

表4變頻器參數(shù)設(shè)置

5、改造后的應(yīng)用效果

1）交流變頻調(diào)速技術(shù)的起重機由于變頻器驅(qū)動的電動機機械特性硬，起重機的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準(zhǔn)確，運行中加、減速時整機振動和沖擊明顯減小減少了負(fù)載波動，安全性大幅提高。

2）系統(tǒng)運行的開關(guān)器件實現(xiàn)了無觸點化，具有半永久性的壽命。

3）由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，壽命延長。

4）電磁制動器在低速時動作，其閘皮的磨損很小，使用壽命延長。

5）變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場情況，靈活調(diào)整各檔速度和加、減速時間，使得變頻起重機操作靈活、現(xiàn)場適應(yīng)性好。

6）節(jié)約能源，變頻調(diào)速系統(tǒng)屬高效率調(diào)速系統(tǒng)，電機運行電流小，運行效率高，發(fā)熱損耗小，因此比老式調(diào)速系統(tǒng)大量節(jié)電。本案實測節(jié)能可達30%左右。在生產(chǎn)工況相同的情況下電耗和維修費用比改制前節(jié)約20%左右。

7）可靠性高：變頻器內(nèi)置的防溜鉤程序及完善的保護、監(jiān)測及自診斷功能，如再結(jié)合PLC控制和采用閉環(huán)矢量控制柜，可大幅度提高變頻起重機電控系統(tǒng)的可靠性。

8）高效運行：起重機空鉤或輕載時實現(xiàn)2倍速運行，提高裝卸效率。

通過技術(shù)改造，不僅提高了橋式起重設(shè)備安全運行時間，也使工作勞動維修強度維修成本大幅降低，因此，變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機上的應(yīng)用是提高工作效益、降低能耗保障工作安全的選擇。

6、結(jié)束語

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能，高效率、易維護等特點，加之它的價格不斷下降，使其成為起重機械一種優(yōu)選的調(diào)速方案。但是，要使變頻器成功地應(yīng)用于起重機調(diào)速，就必須針對起重機的特點，計算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時采取特殊技術(shù)措施，以保證變頻調(diào)速的起重機安全、可靠地運行。

參考文獻

1、PI9200C起重機專用變頻器使用說明書

2、《起重電控設(shè)計參考手冊》機械工業(yè)出版社ISBN9787111372196

3、GB/T14405-2011通用橋式起重機國家標(biāo)準(zhǔn)

4、JB/T4315-97起重機電控設(shè)備

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