摘要:本文介紹了橋式起重機的基本機構，針對橋式起重機的變頻調(diào)速進行分析，并利用變頻調(diào)速技術與PLC控制相結合在橋式起重機中進行設計、安裝、調(diào)試及研究。

關鍵詞:變頻調(diào)速變頻器橋式起重機

XuWei-Feng

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

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

Keywords:FrequencytransformerofvelocitymodulationInverterOverheadcrane

引言

隨著科學技術的發(fā)展和創(chuàng)新，變頻調(diào)速技術已被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)中，其中應用于起重機械行業(yè)更為突出。這是因為變頻調(diào)速技術具有效率高、調(diào)速范圍寬、調(diào)速精度高、起動/制動平穩(wěn)且沖擊小、可實現(xiàn)無極調(diào)速及節(jié)約電能等優(yōu)點。而到目前為止，國內(nèi)大部分橋式起重機仍然使用傳統(tǒng)的繞線式電動機轉子串電阻調(diào)速方式，實現(xiàn)對起重機上各機構起停及運行速度的控制；但該傳統(tǒng)調(diào)速方式只能進行有級調(diào)速，起動/制動沖擊電流大，存在大量的轉差功率消耗于轉子串接的電阻上，致使電機的機械特性很軟，調(diào)速精度差、范圍小，并且對電動機的電刷、滑環(huán)及制動器有比較大的沖擊，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)速技術與PLC控制相結合對橋式起重機中進行設計、安裝、調(diào)試及研究。

一、橋式起重機的簡述

橋式起重機是目前在工礦企業(yè)中應用十分廣泛的一種起重搬運吊裝設備。其一般分為三個基本

機構：用于提升重物的起升機構、用于移動重物的橫向移動機構（即橋式起重機的小車運行機構）和用于移動重物的縱向移動機構（即橋式起重機的大車運行機構），如圖1橋式起重機結構圖。

圖1橋式起重機結構圖

其中橋式起重機的起升機構是通過控制三相異步電動機的正反轉，經(jīng)過聯(lián)軸器和減速器帶動繞有鋼絲繩的卷筒，使吊鉤升或降。而橋式起重機的兩個移動機構，也分別是通過控制三相異步電動機的正反轉，經(jīng)過聯(lián)軸器和減速器帶動車輪轉動。

二、橋式起重機變頻調(diào)速的概述

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

橋式起重機變頻調(diào)速方式一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接轉矩控制方式。其中起重機的起升機構一般采用閉環(huán)的矢量控制方式或閉環(huán)的直接轉矩控制方式；而移動機構一般開環(huán)的U/f控制方式或開環(huán)的矢量控制方式。

橋式起重機變頻調(diào)速一般分起升機構變頻調(diào)速和移動機構變頻調(diào)速，其主要由機構中的變頻電機、變頻器、控制器件及線路保護開關等組成。但為了防止變頻器對外界的干擾和對自身的保護、以及提高電機控制的精度，一般在變頻器周圍配有AC/DC電抗器、制動單元及制動電阻、濾波器及傳輸卡件等。而其中，根據(jù)橋式起重機機構用途的不同，在起升機構所用的變頻電機內(nèi)都配備有光電旋轉編碼器，提高調(diào)速精度和響應速度。同時控制器件采用PLC與繼電器相結合，取代過去采用交流接觸器控制，使控制系統(tǒng)可靠性高、應用靈活、線路簡單、易于使用及故障率低等。

三、橋式起重機的變頻調(diào)速設計

1、橋式起重機變頻調(diào)速的硬件選擇

（1）變頻電機的選擇

a、起升機構變頻電機應滿足：

（式中：P－電機容量（kw）；G－額定重量（kg），應考慮125%的過載能力；v－額定線速度（m/min）；η－機械效率）。

b、移動機構變頻電機應滿足：

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

（2）變頻器的選擇

在選擇橋式起重機各機構變頻器的容量時，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應滿足以下條件：且（式中：Ie－電動機額定電流；I0－電動機最大工作電流，為靜載電流和動載電流之和；K0－安全系數(shù)，重復短時工作制一般場合取1～1.1；K1－最大負載系數(shù)，即所需最大轉距與電動機額定轉距之比；K2－余量系數(shù)，一般取1.2；K3－變頻器過載能力系數(shù)，見產(chǎn)品手冊。）

（3）制動電阻及制動單元的選擇

制動電阻阻值的計算基準：變頻電機再生電能必須被制動電阻完全吸收，即滿足R＝V²/Pe×Kc

；而制動單元按制動電流選擇，即滿足

(式中：R-制動電阻等效電阻值；V－制動單元直流工作點電壓，一般取700V；Pe－電機額定功率；Kc－制動頻度，在橋式起重機中取0.2～0.4；K－回饋時的機械能轉換效率，一般取0.7)。

（4）可編程控制器（PLC）的選擇

在橋式起重機中，由于各機構的控制檔位一般為5檔，那么每個機構所需的PLC總點數(shù)一般在19～20個點。對一臺三個機構的橋式起重機一般所需的總點數(shù)在60個左右。

（5）其它電氣元器件按有關標準進行選擇，在此不作詳細說明。

2、橋式起重機變頻調(diào)速的電氣圖設計

現(xiàn)以安川變頻器為例，主要說明橋式起重機變頻調(diào)速部分的電氣圖設計。橋式起重機起升機構變頻調(diào)速的電氣原理圖如圖2所示。起升機構變頻電機內(nèi)配有旋轉編碼器，與安裝在變頻器內(nèi)的速度卡連接，構成速度閉環(huán)控制。變頻器上的S1～S7、SC、MA、MB、M1、M2等控制點和控制電機風扇運行接觸器K7及制動器動作接觸器K8的線圈控制線路分別與所選PLC的輸入、輸出及電源點連接，通過PLC內(nèi)部程序的運行，實現(xiàn)對起升機構變頻調(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，感應電流在30mA以上,可以檢出對人體有危險的高頻漏電流，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的功率因數(shù)，降低對外界的干擾。

圖2起升機構變頻調(diào)速的電氣原理圖

橋式起重機移動機構變頻調(diào)速的電氣原理如圖3所示。移動機構變頻調(diào)速為開環(huán)控制，無需配旋轉編碼器及速度卡。其它線路設計與起升機構類似。

圖3移動機構變頻調(diào)速的電氣原理圖

3、橋式起重機變頻調(diào)速的程序設計

橋式起重機變頻調(diào)速的程序設計其實就是對所選PLC內(nèi)的程序設計。PLC的程序設計一般采用梯形圖或指令表兩種方式進行程序設計。橋式起重機變頻調(diào)速的PLC程序分兩部分：運行控制程序和通信接口程序。一般橋式起重機變頻調(diào)速主要的程序是運行控制程序，而對于通信接口程序只有在PLC配有觸摸屏時才會涉及到。橋式起重機每個機構的運行控制程序基本由電氣保護、檔位控制、制動器及電機風扇運行程序段組成。其中檔位控制就是橋式起重機司機室內(nèi)聯(lián)動控制臺的檔位變化，通過PLC內(nèi)的程序運行，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設好的頻率發(fā)生變化。

四、橋式起重機變頻調(diào)速的安裝調(diào)試

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

橋式起重機變頻調(diào)速的調(diào)試一般有以下幾步：（1）調(diào)試前對所有設備、線路接線進行檢查，測量電氣線路在運輸安裝過程的損傷情況，以及電網(wǎng)供電是否存在缺相現(xiàn)象；（2）將預先設計好的程序輸入到PLC內(nèi)，這步也可在柜體制作過程中進行；（3）對變頻器上電檢查后，通過變頻器上的控制屏對電機進行點動操作，看其旋轉方向是否正確；然后選擇適合電機的自學習方式，對電機進行自學習。若選擇了旋轉型自學習，就必須將負載脫離，并確保電機可安全旋轉；（4）設置所選控制模式對應的參數(shù)及其它相應參數(shù)（其具體設置參見各自所選的變頻器使用手冊），并確定所有設備通電均無異常后，進行橋式起重機空載調(diào)試。（5）空載調(diào)試好后，帶上額定負載進行滿負載調(diào)試。在滿負載調(diào)試時，適當改變變頻器的加減速時間參數(shù)值，使加減速時間調(diào)整達到最佳值。若起升機構滿負載運行時，出現(xiàn)明顯的溜鉤想象，就需要調(diào)整變頻器內(nèi)的制動參數(shù)。

五、結束語

橋式起重機采用變頻調(diào)速后，經(jīng)過實際應用，運行效果良好，性能穩(wěn)定可靠，故障維修率明顯減少，達到了用戶的預期目標，為用戶創(chuàng)造了極大的經(jīng)濟效益，受到了許多用戶的好評。

參考文獻

1、通用橋式起重機國家標準GB/T14405－93；

2、起重機設計手冊中國鐵道出版社1998.3；

3、安川變頻器使用手冊；

4、起重機設計規(guī)范GBT3811-2008。