朱國興

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院南通分院，江蘇 226011）

1 概述

近年來，隨著我國造船事業(yè)的發(fā)展，需要大噸位門式起重機進行安裝作業(yè),要求作業(yè)時平穩(wěn)、可靠，低速就位性能良好,調(diào)速精度要求比較高[1]。

1.1 設(shè)計要求

造船門式起重機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計有二個方面要求：一是滿足生產(chǎn)機械和工藝的各種控制要求，二是滿足電氣控制系統(tǒng)本身的制造、使用及維修的需要。

1.2 電氣設(shè)備組成

電氣設(shè)備部分主要由電動機、電器元件和電氣線路組成。控制設(shè)備通過控制電器元件和電氣線路來控制電動機，電動機將電能轉(zhuǎn)變成機械能，通過傳動裝置拖動工作機構(gòu)按要求完成各種生產(chǎn)動作[2]。

2 電氣線路的設(shè)計

2.1 供電

動力回路380V，控制回路和照明回路為220V。整機供電方式采用磁滯式電纜卷筒供電，小車采用懸掛電纜小車式供電。

2.2 電動機

2.2.1 特點

在選擇和使用的電動機時，既要考慮斷續(xù)工作的特點，又要考慮頻繁操作的特點。

2.2.2 起重機負(fù)載的特點

運行機構(gòu)的正、反兩個方向均屬阻力負(fù)載，電動機在正、反兩個方向都是電動狀態(tài)，發(fā)出驅(qū)動力矩來拖動機構(gòu)運轉(zhuǎn)。

升降機構(gòu)上、下兩方向的負(fù)載性質(zhì)不一樣。升降機構(gòu)上升時為阻力負(fù)載。下降時當(dāng)負(fù)載很輕，其重量克服不了機構(gòu)的摩擦阻力時，也是阻力負(fù)載，對電動機來說，上升和輕負(fù)載下降時是電動狀態(tài)，產(chǎn)生驅(qū)動力矩來拖動機構(gòu)運轉(zhuǎn)；升降機構(gòu)下降時當(dāng)重負(fù)載下降時，由重物拖動機構(gòu)向下運轉(zhuǎn)，對電動機來說，處于制動狀態(tài)，產(chǎn)生制動力矩來平衡由負(fù)載產(chǎn)生的驅(qū)動力矩，使重物以穩(wěn)定的速度下降。

造船門式起重機在室外工作，由于風(fēng)力的存在，順風(fēng)時，有可能把運行機構(gòu)的阻力負(fù)載變成動力負(fù)載，此時由風(fēng)力驅(qū)動機構(gòu)運行，電動機處于制動狀態(tài)。

2.2.3 起重機常用的下降制動方法

為了使下降的重物能獲得穩(wěn)定的運行速度，需要使電動機在制動狀態(tài)下運行。異步電動機常見的制動方法有再生發(fā)電制動、反接制動和單相制動三種。

由于外力的作用使異步電動機的轉(zhuǎn)速超過其同步轉(zhuǎn)速時，稱為再生發(fā)電制動，電動機的運行狀態(tài)象一個與電網(wǎng)并聯(lián)的異步發(fā)電機，將電能反饋給電網(wǎng)。

電動機被過重的負(fù)載倒拉，就會出現(xiàn)反接制動狀態(tài)。電動機的轉(zhuǎn)子被迫逆著旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為負(fù)，轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生更高的感應(yīng)電動勢。

把三相異步電動機的定子繞組接在單相電源上，也可將三相電源中的任何一相斷開，在轉(zhuǎn)子電路中串接適當(dāng)?shù)碾娮瑁绱藭r電動機由下降的重物帶動旋轉(zhuǎn)，進入單相制動狀態(tài)運行。

3 主令控制器

主令控制器和控制屏一起用來控制電動機的起動、轉(zhuǎn)向、調(diào)速和制動。主令控制器不是直接切換主電路，而是切換電流較小的控制電路。

4 接觸器

接觸器是用來將主電路接通與斷開遠(yuǎn)距離控制的電器。用于遠(yuǎn)距離控制和頻繁動作，以較小的控制功率控制較大功率的主電路，控制電動機的起動、制動、停止和調(diào)速，實現(xiàn)自動保護。

5 電阻器

電阻器在起重機中是用來供電動機起動、制動和調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的—種電器元件，按其用途的不同可分為起動電阻器、制動電阻器和調(diào)速電阻器等。

制動電阻：起重機放下重物時，由于重力加速度的原因電動機將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到變頻器直流電路中，使直流電壓不斷上升，甚至達到危險的地步，應(yīng)將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動電阻可消耗此能量。

6 變頻器

6.1 調(diào)速方法

采用具有矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制方式的變頻調(diào)速系統(tǒng)。

6.2 制動方法

采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的方法。通過變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車或吊鉤迅速而準(zhǔn)確地將轉(zhuǎn)速降為0，利用電磁制動器進行機械制動。

6.3 變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點

造船門式起重機的拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左右行及速度檔次；小車的前后行和速度檔次；吊鉤的升降及速度等，這些都可以通過PLC可編程控制器進行無觸點控制。

對于“溜鉤”現(xiàn)象方面，可以充分利用變頻器豐富的控制功能，電磁抱閘在接收信號到松開幾秒鐘，因此在抱閘抱住時不能有較高的輸出頻率。從變頻器的功能考慮，可利用變頻器的零轉(zhuǎn)速150%轉(zhuǎn)矩輸出功能和預(yù)勵磁功能。

6.4 零速全轉(zhuǎn)矩功能

變頻器可以在速度為零的狀態(tài)下，保持電機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，且不需速度反饋裝置。這一功能保證了吊鉤由升、降狀態(tài)減速為零時，電動機能夠使重物在空中停住，直到電磁制動器將軸拖住為止，防止溜鉤。

6.5 停止時和起動前的預(yù)勵磁功能

變頻器可以在停止時和起動前自動進行直流預(yù)勵磁。使電機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證在電磁制動器釋放時不會發(fā)生“溜鉤”。

7 可編程序控制器

完成系統(tǒng)邏輯控制部分控制電動機的正、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等控制信號進入PLC，PLC經(jīng)處理后，向變頻器發(fā)出起停、調(diào)速等信號，開始運行。

造船門式起重機主鉤、副鉤、大車、小車由各自的PLC控制，當(dāng)大主鉤、副鉤、大車、小車電動機運行在電動狀態(tài)時，控制過程基本相似，變頻器與PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實現(xiàn)基本相同。當(dāng)主鉤電動機運行狀態(tài)處于電動、倒拉反接或再生制動狀態(tài)，變頻器與PLC之間控制關(guān)系在硬件組成以及軟件的實現(xiàn)有區(qū)別。

系統(tǒng)軟件設(shè)計：通過對PLC進行編程，實現(xiàn)PLC與變頻器信息交換的控制。編程的依據(jù)是系統(tǒng)的工作過程。

造船門式起重機小車電路：全部門關(guān)好后，緊急開關(guān)等符合要求，手柄開關(guān)置于零位，按下起動按鈕，接觸器通電吸合，三相電源接通。如速度選擇開關(guān)置于速度1檔，電源和電動機接通，1檔速度起動；速度選擇開關(guān)置于2檔，2檔速度運行，其余類推。速度開關(guān)置于零位或由于停電，電動機停止運行。當(dāng)發(fā)生緊急情況時，立即拉開緊急開關(guān)，變頻器緊急停機控制端接通，變頻器將使電動機迅速停機。當(dāng)電動機過載，熱保護繼電器的觸點接通變頻器外接保護控制端，變頻器停止工作。當(dāng)小車行走到終端時，兩端各有擋塊，撞上限位開關(guān)，切斷小車電路，小車停車并制動。變頻器如發(fā)生故障跳閘，當(dāng)故障被排除，可以起動時，按下復(fù)位按鈕，接通復(fù)位控制端，使變頻器恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

控制小車電動機的變頻器輸入控制端的安排：一般門式起重機有多檔速度，調(diào)節(jié)速度的目的。

8 設(shè)計舉例

8.1 造船門式起重機方框圖

如圖1所示。

圖1 造船門式起重機方框圖

圖2 造船門式起重機主起升電路圖

8.2 造船門式起重機主起升電路圖

如圖2所示。

9 結(jié)束語

利用PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)，造船門式起重機拖動系統(tǒng)的各檔速度、加速時間和制動減速時間都可以根據(jù)現(xiàn)場情況由變頻器設(shè)置調(diào)整，此外也可用PLC通訊端或模擬端進行控制。

[1]張質(zhì)文.起重機設(shè)計手冊，中國鐵道出版社。

[2]劉瑞琦.起重運輸機械電氣設(shè)備,中國鐵道出版社.