1、前言

    橋式起重機(jī)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(duì)起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法（主要是繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)）現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)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(kāi)發(fā)的基于PI9000矢量控制技術(shù)平臺(tái)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(píng)。

2、傳統(tǒng)橋式起重機(jī)運(yùn)行情況

    橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機(jī)械。傳統(tǒng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)主要有起升機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)，一般采用YZR繞線式交流異步電機(jī)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(shí)際運(yùn)行中存在以下問(wèn)題：

    1）起升機(jī)構(gòu)（吊鉤主升降、副起升）、平移機(jī)構(gòu)（大車、小車）拖動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)采用變阻調(diào)速，運(yùn)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(shí)有發(fā)生。

    2）電機(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。

    3）由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的金屬粉塵、有害氣體對(duì)電動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)沖擊電流大，因此觸頭燒損、電動(dòng)機(jī)燒損故障時(shí)有發(fā)生，故障率高。

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

    5）系統(tǒng)抱閘是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行的，對(duì)制動(dòng)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(jī)上應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)的無(wú)級(jí)調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)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(jī)存在以上問(wèn)題，客戶要求對(duì)橋式起重機(jī)的吊鉤升降電力拖動(dòng)系統(tǒng)和大、小車電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，為克服繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用變頻調(diào)速技術(shù)改造起重機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)全頻率（0～50Hz）范圍內(nèi)的恒轉(zhuǎn)矩控制，降低對(duì)機(jī)械傳動(dòng)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(jì)

    根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)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(jī)+矢量變頻器

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

    針對(duì)冶金起重機(jī)械開(kāi)發(fā)的專用變頻電機(jī)將起重機(jī)冶金用三相異步電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)與變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)集于一體，與變頻裝置組成的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；達(dá)到節(jié)能和控制自動(dòng)化的目的。由于具有效率高、調(diào)速范圍廣、精度好、起制動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定，且過(guò)載能力大等特點(diǎn)，特別適用于需要變頻調(diào)速，短時(shí)或斷續(xù)周期運(yùn)行、頻繁起制動(dòng)的場(chǎng)合。

    YZP電機(jī)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)；②電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)外殼防護(hù)等級(jí)為IP54以上，絕緣等級(jí)為F級(jí)，也可以根據(jù)用戶要求制成H級(jí)；抗機(jī)械震動(dòng)、沖擊,適應(yīng)頻繁起動(dòng)、制動(dòng),正、反轉(zhuǎn)；⑤帶專用冷卻風(fēng)機(jī)(起升電機(jī))，能連續(xù)低頻運(yùn)行；⑥電機(jī)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(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，變頻電機(jī)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(jī)+矢量變頻器

    電動(dòng)機(jī)采用原有的繞線電機(jī)。

    由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)與通用或其它異步電動(dòng)機(jī)相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時(shí)應(yīng)考慮紋波電流引起的過(guò)電流跳閘情況，同樣功率下的電動(dòng)機(jī)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)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(duì)未作特殊處理的YZR電機(jī)，在低速由于變頻器輸出特性以及電機(jī)磁通狀況，電機(jī)輸出力矩存在一定的影響；如果現(xiàn)有YZR電機(jī)不進(jìn)行更換，僅短接滑環(huán)后，采用變頻驅(qū)動(dòng)，那么主起升、副起升機(jī)構(gòu)安全可靠運(yùn)行的起重量不能達(dá)到銘牌標(biāo)定的額定載荷，理論測(cè)算可靠運(yùn)行起重量約為下降5%左右。

    此方案優(yōu)點(diǎn)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(guò)濾器，是用來(lái)防護(hù)粉塵對(duì)電氣元件的危害。

    2）起升機(jī)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(dòng)YZP專用電機(jī)，一拖一配置。

    3）平移機(jī)構(gòu)：平移機(jī)構(gòu)慣量較大，負(fù)載變化相對(duì)小，屬于阻力性負(fù)載。大車采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)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(kāi)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動(dòng)態(tài)性能，通常采用矢量控制方式。

    5）制動(dòng)方式：采用再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方式。當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或平移機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)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(hù)極限值后變頻器將過(guò)電壓跳閘。對(duì)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(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng)；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(dòng)。為安全考慮，還必須同時(shí)采取電磁制動(dòng)器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)以配合可靠完成作業(yè)。

    6 )防溜鉤控制：橋式起重機(jī)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(dòng)器抱住之前和松開(kāi)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(gè)問(wèn)題上，主要用變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與變頻器的制動(dòng)單元、制動(dòng)電阻和液壓制動(dòng)器的配合而達(dá)到完美的效果。

    矢量控制變頻器的自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升和預(yù)勵(lì)磁功能，使電機(jī)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?cè)緳C(jī)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(shí)現(xiàn)?？刂频剡x擇有：本地控制（控制盤）；遠(yuǎn)程控制（端子控制和現(xiàn)場(chǎng)總線控制）。

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

圖1起重機(jī)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(dòng)單元、制動(dòng)電阻等

3.3.1起升機(jī)構(gòu)

    變頻器的選型主要依據(jù)電機(jī)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(guò)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(shí)取1.5～2.0）

    ICN——變頻器額定輸出電流A

    IM——工頻電源時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定電流A

    起升機(jī)構(gòu)要求的起動(dòng)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(duì)于拖動(dòng)等額功率電動(dòng)機(jī)的變頻器來(lái)說(shuō)，可提供長(zhǎng)達(dá)60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過(guò)載能力，因此過(guò)載系數(shù)k=在1.5和2.0之間。

3.3.2平移機(jī)構(gòu)

    起重機(jī)的平移機(jī)構(gòu)分大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)一般采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案。由于起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電動(dòng)機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)所需的電動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制方式，因此在變頻器容量選擇時(shí)，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(shí)取1.05～1.1）

    ICN——變頻器額定輸出電流A

    IM——工頻電源時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定電流A

    n——一臺(tái)變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量

3.3.3制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

    可采用能量回饋制動(dòng)或者制動(dòng)電阻消耗制動(dòng)。

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

4、改造實(shí)例

4.1起重機(jī)概況

    開(kāi)灤集團(tuán)某礦16/5噸橋式起重機(jī)，主要吊裝的載荷為礦山機(jī)械。起重機(jī)基本數(shù)據(jù)如表1：

表1：橋式起重機(jī)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(chǎng)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(duì)起重行業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)，保證起重機(jī)使用的安全性、可靠性和高效性。硬件采用美國(guó)TI公司電機(jī)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(guò)載能力強(qiáng)（額定電流150%可達(dá)60秒，200%可達(dá)3秒）、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（（FOC+PG模式可以在極低轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生高達(dá)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(jī)械特性。在滿足沖擊性負(fù)載、重負(fù)荷應(yīng)用的同時(shí)，還能完美呈現(xiàn)起重行業(yè)的工藝控制特性，增進(jìn)系統(tǒng)效能，達(dá)到了快速反應(yīng)，平穩(wěn)安全運(yùn)行的要求。

    其安全性和可靠性主要表現(xiàn)在：

    1)預(yù)勵(lì)磁及起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償：預(yù)勵(lì)磁功能是在啟動(dòng)之前自動(dòng)地對(duì)電機(jī)實(shí)行直流勵(lì)磁，以保證電動(dòng)機(jī)快速地提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并通過(guò)設(shè)定起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償值和調(diào)節(jié)勵(lì)磁的時(shí)間，使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與機(jī)械制動(dòng)器的釋放時(shí)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(hù)和轉(zhuǎn)矩監(jiān)控；支持3種快速停車模式：電氣制動(dòng)的停車、電氣制動(dòng)加機(jī)械制動(dòng)的停車、機(jī)械制動(dòng)的停車。

    3)抱閘邏輯控制與監(jiān)控功能：準(zhǔn)確的抱閘開(kāi)啟和閉合控制時(shí)序，通過(guò)抱閘實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋和起動(dòng)預(yù)轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償，確?？刂频陌踩院涂煽啃?。

    盡管起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，但其加速時(shí)間較短，同時(shí)考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)的因素，以及安監(jiān)部門對(duì)起重機(jī)1.25倍額定靜載荷檢測(cè)要求等因素來(lái)選擇起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)的變頻器容量。

    本項(xiàng)目主副升降電機(jī)選用專業(yè)廠家生產(chǎn)的冶金起重專用變頻電機(jī)，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(jī)電機(jī)及變頻器配置

4.2.2制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

    當(dāng)電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)或再生制動(dòng)狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲(chǔ)能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過(guò)高而使直流過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設(shè)制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻以釋放這部分能量。大車、小車、主副升、降的制動(dòng)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(dòng)單元和變頻器專用制動(dòng)電阻器，見(jiàn)表3。

表3制動(dòng)系統(tǒng)配置

4.3參數(shù)設(shè)置及注意事項(xiàng)

    針對(duì)不同載荷和工作制的起重機(jī)，變頻器參數(shù)設(shè)置（啟動(dòng)方式、電機(jī)自學(xué)習(xí)、防溜鉤、制動(dòng)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(yùn)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(jī)由于變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性硬，起重機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、加速、減速等過(guò)程更加平穩(wěn)快速，定位更加準(zhǔn)確，運(yùn)行中加、減速時(shí)整機(jī)振動(dòng)和沖擊明顯減小減少了負(fù)載波動(dòng)，安全性大幅提高。

    2）系統(tǒng)運(yùn)行的開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)了無(wú)觸點(diǎn)化，具有半永久性的壽命。

    3）由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流限制得較小，頻繁啟動(dòng)和停止時(shí)電動(dòng)機(jī)熱耗減少，壽命延長(zhǎng)。

    4）電磁制動(dòng)器在低速時(shí)動(dòng)作，其閘皮的磨損很小，使用壽命延長(zhǎng)。

    5）變頻調(diào)速系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，靈活調(diào)整各檔速度和加、減速時(shí)間，使得變頻起重機(jī)操作靈活、現(xiàn)場(chǎng)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(jī)運(yùn)行電流小，運(yùn)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(shí)測(cè)節(jié)能可達(dá)30%左右。在生產(chǎn)工況相同的情況下電耗和維修費(fèi)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(hù)、監(jiān)測(cè)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(jī)電控系統(tǒng)的可靠性。

    8）高效運(yùn)行：起重機(jī)空鉤或輕載時(shí)實(shí)現(xiàn)2倍速運(yùn)行，提高裝卸效率。

    通過(guò)技術(shù)改造，不僅提高了橋式起重設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)間，也使工作勞動(dòng)維修強(qiáng)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(jī)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(yǔ)

    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(hù)等特點(diǎn)，加之它的價(jià)格不斷下降，使其成為起重機(jī)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(jī)調(diào)速，就必須針對(duì)起重機(jī)的特點(diǎn)，計(jì)算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時(shí)采取特殊技術(shù)措施，以保證變頻調(diào)速的起重機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

    1、PI9200C起重機(jī)專用變頻器使用說(shuō)明書(shū)

    2、《起重電控設(shè)計(jì)參考手冊(cè)》機(jī)械工業(yè)出版社ISBN9787111372196

    3、GB/T14405-2011通用橋式起重機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)

     4、JB/T4315-97起重機(jī)電控設(shè)備