一、引言 門(mén)式起重機(jī)是一種用來(lái)起吊、放下和搬運(yùn)重物、并使重物在一定距離內(nèi)水平移動(dòng)的起重、搬運(yùn)設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中有著重要應(yīng)用. 傳統(tǒng)的門(mén)式起重機(jī)調(diào)速方法如:繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等，它們共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見(jiàn)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。 交流變頻調(diào)速傳動(dòng)具有以下特點(diǎn)； A.可以使普通異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。 B.啟動(dòng)電流小,減少電源設(shè)備容量。 C.啟動(dòng)平滑,消除機(jī)械的沖擊力,保護(hù)機(jī)械設(shè)備。 D.對(duì)電機(jī)具有保護(hù)功能,降低電機(jī)的維修費(fèi)用。 E.具有顯著的節(jié)電效果。 由于交流變頻調(diào)速傳動(dòng)技術(shù)具有上述特點(diǎn)，已開(kāi)始取代直流調(diào)速裝置，成為現(xiàn)代電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向. 其調(diào)速原理如下: 從電源端輸入三相交流電至變頻器后，經(jīng)整流濾波變換為直流電，再通過(guò)電子開(kāi)關(guān)電路轉(zhuǎn)換為頻率及電壓均可調(diào)的三相交流電，然后經(jīng)濾波后輸出，作為電動(dòng)機(jī)的輸入電源。 我國(guó)起重機(jī)開(kāi)始采用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制大約在80年代后期，那時(shí)大多是V/F比控制的變頻器，變頻無(wú)級(jí)調(diào)速的平穩(wěn)性、可控性和節(jié)能等特點(diǎn)為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的門(mén)式起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高.隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，專(zhuān)業(yè)起重機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也把眼光投向這一高技術(shù)領(lǐng)域，并針對(duì)起重機(jī)作業(yè)的特點(diǎn)，深入開(kāi)展變頻調(diào)速系統(tǒng)的研究。所以，采用交流變頻調(diào)速是門(mén)式起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。 其次,PLC的基本、應(yīng)用指令和觸摸屏的人性化界面設(shè)計(jì),使每個(gè)操作司機(jī)都能夠迅速的適應(yīng)并掌握本臺(tái)車(chē)的操作習(xí)慣,多達(dá)86個(gè)操作畫(huà)面,及故障信息查詢(xún)畫(huà)面,使維修人員能夠迅速的查出故障原因并排除. 二 、20T門(mén)吊的電氣結(jié)構(gòu) 本文針對(duì)匯川變頻器和三菱PLC在鄭州鐵路局下屬某貨場(chǎng)20T門(mén)式起重機(jī)中應(yīng)用作以介紹: 本起重機(jī)額定起重量: 20T, 起升高度: 11米, 起升速度: 10米/秒, 大車(chē)速度: 47.9米/秒, 小車(chē)速度: 45.2米/秒, 跨度:18米, 有效懸臂6.5米. 主鉤電機(jī) 1臺(tái) 6極變頻電機(jī) 45KW 大車(chē)電機(jī) 4臺(tái) 8極普通異步電機(jī) 7.5KW 小車(chē)電機(jī) 2臺(tái) 6極普通異步電機(jī) 11KW 一）電氣系統(tǒng)主要元器件由匯川MD320系列變頻器、三菱FX1N系列PLC、以及天津羅升人機(jī)界面構(gòu)成. 1） 變頻器的選擇 采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電流來(lái)選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值）來(lái)選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05～1.10）電動(dòng)機(jī)的額定電流或電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。而在起重機(jī)行業(yè),特別對(duì)于起升機(jī)構(gòu)為安全其間,所選電器容量要遠(yuǎn)大于設(shè)備的額定容量.故在選主鉤電機(jī)變頻器時(shí)要對(duì)其容量進(jìn)行放大處理. 主鉤電機(jī)為6極變頻電機(jī), 3～50Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，50～100Hz范圍內(nèi)為恒功率運(yùn)行。主鉤變頻器型號(hào)為MD320T-75KW 大車(chē)電機(jī)為8極電機(jī),7.5KW, 大車(chē)變頻器型號(hào)為MD320T-45KW 小車(chē)電機(jī)為6極電機(jī),11KW, 小車(chē)變頻器型號(hào)為MD320T-37KW PLC 選兩臺(tái)60點(diǎn)PLC即FX1N-60MR. 觸摸屏選為PWS-6600 , 低壓電器全部采用施耐德進(jìn)口器件. 它的基本框圖如下: 本電氣系統(tǒng)采用兩個(gè)PLC作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及邏輯處理核心, 主要有以下優(yōu)點(diǎn): a）使整個(gè)系統(tǒng)的程序分為主鉤程序和大小車(chē)程序, 便于調(diào)試, 將大小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)編碼程序傳送給PLC0, 進(jìn)而在觸摸屏上顯示出來(lái). b）突出了系統(tǒng)的集中性: 即監(jiān)視集中, 操作集中, 管理集中 c）突出了系統(tǒng)的分散性: 即控制分散, 危險(xiǎn)分散, 負(fù)荷分散 d）觸摸屏共有80多個(gè)畫(huà)面組成, 內(nèi)容包括系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài), 速度顯示, 系統(tǒng)測(cè)試, 故障頻次記錄, 歷史故障記錄,以及排除方法等. 2.系統(tǒng)布置 系統(tǒng)共有四面柜子組成: 電源柜, 起升變頻柜, 大小車(chē)變頻柜, 電阻柜. 起升變頻系統(tǒng)用一臺(tái)PLC來(lái)控制主鉤變頻器的升降, 并與觸摸屏通訊, . 如圖: 大小車(chē)系統(tǒng)合裝在一臺(tái)柜內(nèi),共用一臺(tái)PLC,其中PLC將大小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài), 限位信號(hào)等編碼后與起升柜內(nèi)PLC輸入相連, 這樣就可以在觸摸屏上顯示出來(lái).如圖: 電阻柜由于要吸收掉變頻器的再生能量, 發(fā)熱, 溫度比較高,故放在配電房外,為戶(hù)外安裝. 為保證柜內(nèi)元器件的散熱, 每臺(tái)柜內(nèi)都加裝兩臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)散熱. 同時(shí)配電房?jī)?nèi)也安裝了冷暖空調(diào). 在設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要要考慮以下問(wèn)題: 1）主鉤在上升或下降時(shí)的防溜鉤問(wèn)題 在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開(kāi)后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤。在這個(gè)問(wèn)題上主要應(yīng)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(guò)程中制動(dòng)器打開(kāi)過(guò)早,易出現(xiàn)溜鉤,打開(kāi)過(guò)晚,變頻器容易報(bào)故障,在停車(chē)過(guò)程中,若抱閘過(guò)早, 變頻器容易報(bào)故障, 抱閘過(guò)晚易出現(xiàn)溜鉤. 所以,解決此問(wèn)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(guò)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)變頻器達(dá)到的同時(shí)，變頻器開(kāi)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)出松開(kāi)指令，使制動(dòng)電磁鐵開(kāi)始通電松開(kāi)抱閘，應(yīng)大于電磁鐵松開(kāi)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）. 2） 自動(dòng)轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置 大小車(chē)因?yàn)槭且煌隙噙\(yùn)行,控制方式應(yīng)選為 U/F控制,適當(dāng)?shù)靥岣咧蓄l電壓可以改善低頻特性，提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩; 提高零頻電壓可以加大直流強(qiáng)勵(lì)磁，可以有效改善大小車(chē)的啟動(dòng)特性。,其曲線參見(jiàn)下圖: 3） 各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變頻器的功能參數(shù)設(shè)置 門(mén)式起重機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的變頻器，其變頻器的功能參數(shù)設(shè)置如下表中。 4） 能量回饋問(wèn)題 主鉤變頻器在降頻過(guò)程中，或在下放過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)從電動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)由此獲得制動(dòng)轉(zhuǎn)距。減速越快，負(fù)載的慣量越大，再生的能量也就越大。處理這部分能量既可防止變頻器直流母線電壓超過(guò)額定電壓，造成變頻器的損壞，同時(shí)又可獲得所需要的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 起重機(jī)在再生能量的處理上，應(yīng)用最多的是采用外接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是將再生能量消耗在電機(jī)之外，電動(dòng)機(jī)不發(fā)熱，適合頻繁工作。缺點(diǎn)是這部分再生能量在電阻上以熱能形式被白白消耗掉了。這種方式在理論上不及采用可逆變流器的能量回饋型的處理方式好，因?yàn)榛仞佇涂梢詫⒃偕芰炕仞侂娋W(wǎng)，使再生能量得到完全的利用。然而，回饋型對(duì)以滑觸方式受電的起重機(jī)是不合適的，任何受電器的跳動(dòng)都有可能造成逆變的失敗，乃至殃及變頻器損壞。 所以本系統(tǒng)也采用外接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方法來(lái)防止由于電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的再生能量而引起的變頻器故障和損壞. 5）加減速時(shí)間的切換問(wèn)題 當(dāng)鉤子剛吊著重物,吊繩有松到繃緊直到離開(kāi)地面的過(guò)程中,鉤子的稱(chēng)重量由0開(kāi)始逐漸增加, PLC通過(guò)重量限制器輸出的信號(hào)自動(dòng)選擇工作方式, 變頻器升速時(shí)間也不一樣, 這就需要一個(gè)加減速時(shí)間的切換的問(wèn)題,我們?cè)O(shè)定空鉤的加減速時(shí)間為第一加減速,正常及滿(mǎn)鉤作業(yè)時(shí)為第二加減速,當(dāng)重量達(dá)到分界線時(shí)自動(dòng)切換到第二加減速時(shí)間, 第一加減速時(shí)間要比第二加減速時(shí)間短才能適應(yīng)吊車(chē)的快速作業(yè). 3.電氣特點(diǎn) 1） MD320變頻器簡(jiǎn)介 MD 系列變頻器代表未來(lái)變頻器的發(fā)展方向,主要開(kāi)創(chuàng)了其領(lǐng)域的三個(gè)概念 1.它首創(chuàng)了新一代變頻器三層模塊化的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn), 如圖: 2.它首創(chuàng)了用戶(hù)需求進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng),通用功能,和專(zhuān)用功能等主模塊及各種子模塊劃分的物理標(biāo)準(zhǔn),如下圖 具有以下特點(diǎn)： a）MD系列變頻器采用了真正的電流矢量控制算法，即把定子電流按照坐標(biāo)變換后分解為轉(zhuǎn)矩電流分量和磁通電流分量，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的精確控制。 b）靈活的模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)客戶(hù)行業(yè)的不同需要靈活配置各種行業(yè)專(zhuān)用模塊、功能模塊、高性能電機(jī)控制模塊，易與設(shè)備的升級(jí)、維護(hù)，全面降低應(yīng)用成本。 c）豐富的頻率源設(shè)定方式，功能齊全的多功能輸入、輸出端子，方便了控制。 d）優(yōu)秀的伺服響應(yīng)特性，對(duì)急速負(fù)載波動(dòng)有很強(qiáng)的適應(yīng)性。 e）全系列獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)、寬電壓范圍設(shè)計(jì)、安全自檢功能、安全的防雷設(shè)計(jì)、完善的保護(hù)功能、專(zhuān)業(yè)化制作平臺(tái)。 f）寬范圍的精確控制，不論負(fù)載如何變化，都能從1/100低速度至高速度的高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。 2）整個(gè)系統(tǒng)具有以下功能： a）起升電機(jī)工作在閉環(huán)矢量模式下, 通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器信號(hào)反饋使在升降重物時(shí)對(duì)位更精確 b）PLC控制允許在線編程、在線修改、并對(duì)各種故障進(jìn)行檢測(cè) c）PLC通過(guò)重量限制器輸出的信號(hào)自動(dòng)選擇工作方式 即: 當(dāng)T≤0.6T時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為空鉤可以快速升降（即最高運(yùn)行頻率為70Hz） 當(dāng)0.6T≤T≤13.5T時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為屬于正常作業(yè)也可以快速升降,但比空鉤梢慢（即最高運(yùn)行頻率為60Hz） 當(dāng) 13.5T≤T≤21.0T 時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為屬于滿(mǎn)鉤作業(yè),變頻器工作在恒轉(zhuǎn)矩模式下（即最高運(yùn)行頻率為50Hz） 當(dāng)T≥21.0T 時(shí)系統(tǒng)認(rèn)為超載, 系統(tǒng)只能做下放動(dòng)作,不能起升. d）故障中文檢測(cè)系統(tǒng)顯示包括起升、大、小車(chē)故障，能實(shí)時(shí)在線監(jiān)控。超載、短路、過(guò)流、過(guò)電壓、低電壓、過(guò)熱、缺相等其它故障顯示，同時(shí)顯示故障解決辦法. 例如: 當(dāng)發(fā)生”起升變頻器故障”時(shí)出現(xiàn)以下畫(huà)面: 按故障速查后可出現(xiàn)以下畫(huà)面: 然后看變頻器所報(bào)的故障信息,比如: Err03, 按”Err03”出現(xiàn)下面畫(huà)面 用戶(hù)可以很方便地查出故障原因并及時(shí)排除. 各種故障信息多達(dá)30種. e）數(shù)據(jù)顯示功能 在觸摸屏上可顯示以下數(shù)據(jù): 起升、大、小車(chē)速度, 起升、大、小車(chē)制動(dòng)器吸合次數(shù), 工作時(shí)間, 以及此時(shí)門(mén)吊所工作的狀態(tài)等.如: 四、MD320系列變頻器在調(diào)試中的特點(diǎn) 1）靜載實(shí)驗(yàn) 靜載實(shí)驗(yàn)是將超過(guò)起吊重量的重物吊起然后離開(kāi)地面一定高度并承受一定的時(shí)間.在這里我們先將重量限制器的超載信號(hào)短接,使之無(wú)效,然后起吊1.25倍額定載荷重物,這 里第一檢測(cè)了門(mén)吊機(jī)械方面的各項(xiàng)數(shù)據(jù), 第二也測(cè)試了變頻器在起吊較重物體時(shí)（特別是低速起升時(shí)）轉(zhuǎn)矩特性, 以及與制動(dòng)器的配合情況. 此次檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)變頻器達(dá)到0.5Hz時(shí), 抱閘松開(kāi), 沒(méi)發(fā)現(xiàn)有溜鉤現(xiàn)象發(fā)生. 2）聯(lián)動(dòng)臺(tái)分為5段速度逐一傳遞給PLC,經(jīng)處理后給變頻器, 在大,小車(chē)中每段速的頻率間隔為10Hz, 在減速過(guò)程中, 也是逐一退出, 速度變化平穩(wěn), 所以在工作中不會(huì)出現(xiàn)鉤頭晃動(dòng)現(xiàn)象, 不需要司機(jī)客意地去攆鉤頭. 3）變頻器能夠適應(yīng)司機(jī)在以前老系統(tǒng)中那樣的操作習(xí)慣, 快速的來(lái)回扳動(dòng)聯(lián)動(dòng)臺(tái)操作手柄, 速度變化明顯, 4）其次本系統(tǒng)在運(yùn)行中, 能有利地改善了以前串電阻調(diào)速時(shí)對(duì)門(mén)吊鋼結(jié)構(gòu)的危害以及減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊. 五、效果分析 通過(guò)1年的運(yùn)行, 和本貨場(chǎng)老系統(tǒng)（串電阻調(diào)速）相比,效果很明顯. 主要表現(xiàn)在以下方面: 1, 維護(hù)費(fèi)用大大降低, 低壓電器, 電動(dòng)機(jī),電刷, 電阻的維修率大大降低, 2, 調(diào)速更加平穩(wěn), 低速時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩很大,司機(jī)沒(méi)必要在吊特別重的貨物時(shí)先打到高速檔. 3, 系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn), 減少了對(duì)減速機(jī)、連軸器、鋼絲繩的機(jī)械沖擊. 4, 也降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊. 5, 最顯著的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約能源, 據(jù)統(tǒng)計(jì),比老系統(tǒng)節(jié)電26%. 6, 比老系統(tǒng)提高工作效率20～25%. 六、結(jié)束語(yǔ) 實(shí)踐證明，用變頻器控制門(mén)式起重機(jī)的運(yùn)行是不但節(jié)電降耗,而且提高了工作效率.運(yùn)行的可靠性也得到大大提高,具有很廣闊的應(yīng)用前景.