变频调速技术在起重机上的应用

摘要:主要研究变频调速技术在起重机起升机构中的应用，为起重机电控系统改造提供一种参考。电气系统是桥式起重机的一个重要组成部分。起重机调速绝大多数需在运行过程中进行，而且变换次数多，故机械变速不适合，需采用电气调速。传统调速方案一般采用转子串多级电阻方式，先进的调速方案是PLC控制的变频器调速技术。

关键词:起重机 起升机构 电气系统 变频调速 PLC

0 引言

起重机的主要机构有:主起升机构、副起升机构、大车运行机构和小车运行机构。对小吨位起重机(10t及以下)一般不设副起升机构。主、副起升机构和小车运行机构各由一台YZR系列绕线型电动机驱动，大车运行机构一般采用2台YZR系列绕线型电动机分别驱动。起重机对电气传动的要求有:调速、平稳或快速启制动、大车运行纠偏和电气同步、吊重止摆等，首当其冲的是调速要求，且以起升机构对调速要求最高，因为起升机构经常满载启制动、换向又要求准确停车。传统调速方案一般采用转子串多级电阻方式，另外还有变极调速，改变定子电压调速，电磁滑差离合器调速，串级调速等，但最先进的调速方案是PLC控制的变频器调速技术。

1转子串多级电阻调速方案

转子串多级电阻方式靠调节主回路参数实现调速，采用继电器、接触器逻辑电控系统，是有级调速。该方案有如下特点：①是有级调速，而且级数不能太多；②随转子电阻增大，机械特性变软，调速比很小(大约1：3)；③效率低；④是恒转矩调速；⑤冲击电流较大，当操纵手柄回到零位时，主接触器瞬时断开，机械制动器在高速情况下立即抱闸，机械冲击力大，结构危害严重。但这种方法简单实用，初投资少，因此常用于起重机类负载中。在设计电气线路总体方案时，根据各机构电动机的容量、电动机类型、接电持续率、通断次数期望的控制器工作寿命、机械特性的特殊要求等因素，分别确定其控制方案，再加上安全保护、照明讯号等进行综合考虑后，即可绘出整台起重机的电路图。

2变频调速

随着电力电子技术、计算机技术及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和启制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速系统主要由电动机、变频器和控制器组成。

2.1电动机变频调速并没有改变电机的硬特性，而是通过改变电机的旋转磁场的角速度来进行调速的，因此可采用结构坚固、维护简单的鼠笼型异步电机来取代原来的绕线型电机。普通三相异步电动机的转速是固定的，电机厂是根据电机的转速设计风扇，普通电机如果用变频器降速驱动，风扇的转速也会降低，风扇的风量就会下降，电机温度升高。另外，普通电机用于变频调速系统时，会引起较大的噪声，用于高频段还会产生附加发热，能耗高，必须降载使用，调速范围也因为特性较差而受到限制。在高频段，与转子同轴的风扇会产生较大的噪声，振动产生的附加载荷还会降低轴承和润滑脂的寿命。基于上述原理，起重机采用变频调速系统一般选用专用变频电机比较合理，改造时最好更换电机。变频电机是专门配合变频器使用的特殊电机，是用另外加配的电风扇散热，风扇不受电机的转速限制，变频电机可在保证力矩的情况下长期低速运行。国内推出的变频电动机是由普通电动机加独立风扇组成，国外生产的变频电机有奥托变频电机、先马变频电机。选择变频电机的基本原则如下:①所选电机的最小转矩能满足额定载荷下稳定运行的需要；②最大转矩能保证启、制动过程中加速、减速的需要；③温升不超过允许值。

2.2变频器变频技术在短短的10年间，已经从U/F比控制、电压空间矢量控制发展到无速度传感器的直接转矩控制(DTC)，功率开关器件从GTO，GTR，IGBT，IPM到IGCT。德国西门子公司、德国ABB公司、日本三菱公司的变频器在中国应用较多，其中西门子的ACC600型变频器为起重机专用变频器，其上装有专为起重机设计的应用软件CraneDrive。其优点是:首先提供了起重机常规操作所必需的控制端口，如零位端口、制动器应答信号端口、制动器打开命令端口、提升钢丝绳松弛检测端口、快速停车端口以及看门狗的保护端口等；其次对控制提供了操纵杆、电动机电位器控制、无线电遥控、总线控制等多种方式。因此专用变频器通常不需要加装PLC就可完成所有的操作。

变频器容量选择的前提条件是变频器的额定电流大于电动机的额定电流。起重机的起升机构最好选用专用变频器，其他机构可选通用变频器。调试时，变频器功能参数的设置非常重要，是关系到变频器与设备运行工况是否配合恰当的重要环节，需要在使用过程中结合设备运行情况不断摸索修正。另外，根据用户要求借助变频器编程软件进行恰当的编程，可使变频器功能超常发挥。

2.3PLCPLC的选用包括:①确定足够的输入/输出点数，选择合适规模的PLC；②根据被控对象的性质、系统的控制功能和要求，选择PLC的结构和型号；③根据控制系统中输入/输出信号的种类和要求，选择PLC输入/输出形式及负载能力。

PLC的主要生产国在美国、德国、日本，尤以美国A-B公司、德国西门子公司、日本三菱公司的产品在中国应用最多。

PLC为变频调速系统的中枢控制系统，一个PLC可控制多台变频器。变频器接受PLC运行指令，返回运行参数、集中处理操作信号和保护信号。

2.4主起升机构的PLC和变频器控制原理图

主起升机构PLC和变频器控制原理图如图1所示。

司机在联动台发出信号，操作手柄打到上升或下降某一个档位，通过中间继电器，PLC接受信号，执行程序，把上升或下降信号送给变频器，同时把档位速度信息送给变频器，变频器接收指令后开始工作。首先通过整流电路将交流整流为直流，然后再通过控制回路有规则地控制逆变电路的导通与截止，即令带有脉宽调制功能的逆变电路中的6个晶体管开关元件有规则地交替轮流切换导通，则在变频器输出端得到交流电压。通过改变晶体管开关元件的通断周期，使得变频器输出端交流电压频率得以改变，从而改变电机转速。电机加减速时间可以通过改变变频器的设定参数来调整。

电机主回路无触点，快速熔断器F02用于保护输入整流桥不因内部短路故障而损坏，电抗器L0可以抑制电网峰值电流，同时降低电机噪音。在位能负载控制回路中加入制动元件和制动电阻。

3 结语

如果主起升机构进行了PLC控制的变频器调速改造，那么副起升机构、大车运行机构和小车运行机构都要进行相应的改造，以使整个电气系统相匹配。在选用变频器型号和设置功能参数时，应结合现场生产设备的具体情况而定，包括工况和负载特性等。

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