趙惇良， 孫 寧

(西門(mén)子制造工程中心有限公司，上海 201908)

0 引言

傳統(tǒng)行車拖動(dòng)系統(tǒng)多采用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)方式，該起動(dòng)方式的缺點(diǎn)如下:

(1)屬有級(jí)調(diào)速，通過(guò)在若干條特性曲線之間切換來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)和調(diào)速。，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程有好幾個(gè)加速段，從一條特性過(guò)渡到另一條特性時(shí)，開(kāi)始加速度較高，以后逐漸減小，再過(guò)渡到第三條特性時(shí)，加速度又有類似變化，這樣，在從較低速轉(zhuǎn)為較高速的過(guò)程中，過(guò)渡不太平穩(wěn)。

(2)經(jīng)改變定子相序?qū)崿F(xiàn)逆轉(zhuǎn)和反接制動(dòng)，需要用接觸器或凸輪控制器來(lái)改變主電源相序。

(3)由于轉(zhuǎn)差功率和反接制動(dòng)功率消耗在電阻上，功耗大、效率低。

(4)機(jī)械特性軟，負(fù)載稍有變化即引起轉(zhuǎn)速大幅波動(dòng)。

(5)日常維護(hù)工作量大，凸輪控制器、主令控制器、接觸器需要定期檢查和調(diào)整觸頭的開(kāi)距、超程、壓力和動(dòng)作一致性;需要定期檢查電阻體因長(zhǎng)期發(fā)熱引起的氧化損耗狀況并調(diào)整和修復(fù)，需要定期檢查絕緣部件是否正常并修復(fù)，另外還需要定期清潔電阻體表面以利散熱。

1 利用變頻器和PLC對(duì)行車拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施改造

采用變頻器起動(dòng)方式替換轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)方式可基本消除以上這些缺點(diǎn)。

1．1 變頻器起動(dòng)方案的特點(diǎn)

(1)用模擬量信號(hào)做給定可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，用開(kāi)關(guān)量信號(hào)做給定可實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速。即便是有級(jí)調(diào)速，也可以通過(guò)設(shè)置變頻器的有關(guān)參數(shù)，使各段特性之間的過(guò)渡極為平滑。

(2)通過(guò)改變開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入即可實(shí)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，而不必通過(guò)在主回路上換相來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。

(3)由于速度的變化極為平滑，轉(zhuǎn)差功率很小，只有反接制動(dòng)時(shí)，位能功率回饋到直流母線，消耗在電阻上，故節(jié)能效果相當(dāng)可觀，效率較高。

(4)各頻率下的機(jī)械特性與固有特性基本平行，硬度基本不變，抗負(fù)載波動(dòng)能力很強(qiáng)，與固有特性相似。

(5)日常維護(hù)工作量很小，只要保持變頻器進(jìn)出風(fēng)口清潔暢通即可。主令電器因?yàn)槎际呛涟布?jí)電流通斷，不存在觸頭發(fā)熱磨損的情況，所以性能變化可忽略。

1．2 改造方案

1.2.1 改造方案總體要求

(1)改造后行車操作人員無(wú)須培訓(xùn)，按照原來(lái)的習(xí)慣即可操作，即主要操作機(jī)構(gòu)保持原來(lái)的操作方式，大車、小車仍用凸輪控制器控制，吊鉤仍用主令控制器控制。

(2)改造應(yīng)堅(jiān)持節(jié)約原則，能用的設(shè)備盡量利用，不能利用的設(shè)備如經(jīng)簡(jiǎn)單改造能利用的也要利用，如電機(jī)、保護(hù)電器和主令電器等。

(3)大車、小車和吊鉤的運(yùn)行最高速度與原來(lái)相同，只是起動(dòng)、停止和速度轉(zhuǎn)換比原來(lái)平滑。

(4)維護(hù)工作簡(jiǎn)單，排除故障容易。

1.2.2 改造方案實(shí)施內(nèi)容

(1)將繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)改為籠型異步電機(jī)，原來(lái)的繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)不必廢棄，而是加工，將轉(zhuǎn)子回路三相滑環(huán)短接起來(lái)即可。

(2)取消大車、小車和吊鉤電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的起動(dòng)電阻及其起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速控制線路，改用變頻器控制線路來(lái)承擔(dān)并改善這些功能。

(3)利用PLC構(gòu)建新的控制線路，代替原來(lái)的繼電器控制線路。

(4)凸輪控制器和主令控制器應(yīng)適應(yīng)變頻器要求的二進(jìn)制編碼選擇頻率的數(shù)字輸入接法，請(qǐng)生產(chǎn)廠家改變接點(diǎn)真值表方案，實(shí)質(zhì)就是改變其中的凸輪片形狀。

(5)改變行車原來(lái)的抱閘方式，使大車、小車和吊鉤運(yùn)行速度降到合適值時(shí)才合上抱閘。

1．3 變頻器的選擇

MICROMASTER 440屬于西門(mén)子公司第四代通用系列變頻器。它適用于多種調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置，尤其適用于起重機(jī)械。其額定功率范圍從120 W～200 kW(恒轉(zhuǎn)矩控制方式)。它具有3組開(kāi)關(guān)量輸出，2個(gè)模擬量輸出，6個(gè)帶隔離的開(kāi)關(guān)量輸入，2個(gè)模擬量輸入，這些輸入輸出點(diǎn)均可自由設(shè)置。它具有矢量控制功能、U/f控制功能、快速電流限制(FCL)功能(避免運(yùn)行中不應(yīng)有的跳閘)，加速/減速斜坡特性具有可編程的平滑功能(在有級(jí)調(diào)速時(shí)，以勻加速?gòu)囊环N速度過(guò)渡到另一種速度)，具有內(nèi)置制動(dòng)單元。

MICROMASTER 440型變頻器完全適合于行車負(fù)載的特點(diǎn)，因此決定將其應(yīng)用到本行車改造中，采用矢量控制方式，實(shí)現(xiàn)精確的速度控制，并為此配置制動(dòng)電阻，采用能耗制動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了起升系統(tǒng)的制動(dòng)。

1．4 單機(jī)控制原理

現(xiàn)在以小車控制為例，介紹單機(jī)控制原理，圖1為用MICROMASTER 440變頻器控制的電氣原理圖。圖中SAX為帶二進(jìn)制編碼的凸輪控制器，除用作轉(zhuǎn)向和頻率給定，還將小車向前、向后和零位狀態(tài)送到PLC，按鈕SBX用作變頻器復(fù)位，變頻器故障信號(hào)和運(yùn)行信號(hào)也送到PLC，供PLC程序利用，KMX為抱閘接觸器，RX為制動(dòng)電阻;XT為抱閘;FUX為快速熔斷器，用于保護(hù)變頻器。

1.4.1 頻率給定

因本行車拖動(dòng)系統(tǒng)改造仍延用凸輪控制器和主令控制器操作方式，所以將凸輪控制器和主令控制器的觸頭按照二進(jìn)制編碼組合作為變頻器開(kāi)關(guān)量輸入，以此來(lái)選擇頻率(電機(jī)速度)。大車、小車每個(gè)方向有5檔速度，吊鉤每個(gè)方向有6檔速度，所以利用控制器的3個(gè)觸點(diǎn)組成8種組合(23=8)，可以滿足要求。

1.4.2 電氣制動(dòng)

當(dāng)激活變頻器能耗制動(dòng)功能時(shí)，電機(jī)回饋到直流母線的能量將通過(guò)外接制動(dòng)電阻轉(zhuǎn)換成熱能。變頻器內(nèi)部有制動(dòng)控制裝置，根據(jù)直流母線電壓值超過(guò)安全值的幅度，以一定的占空比導(dǎo)通電子開(kāi)關(guān)，以此來(lái)控制輸出到外接制動(dòng)電阻上的功率。

1.4.3 抱閘控制

用MICROMASTER 440變頻器控制電機(jī)時(shí)，有兩種類型的停車指令，一種類型(OFF2)的停車指令發(fā)出后，不管電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如何，抱閘立即合閘;另一種類型(OFF1和OFF3)的停車指令發(fā)出后，先將電源頻率降低到預(yù)先設(shè)定的值，再將抱閘合閘，然后將電源頻率降低到零。起動(dòng)時(shí)，將電源頻率從零提高到預(yù)先設(shè)定的值，再將抱閘松閘，將電源頻率升高到希望值，此均由一個(gè)可編程的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)控制抱閘接觸器執(zhí)行合閘動(dòng)作。

1.4.4 撞限位停車

用原來(lái)的控制方式，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)撞到限位后，整個(gè)行車的主回路電源都將中斷，不能執(zhí)行任何操作，而且，要恢復(fù)供電，必須使所有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)重置零位，才能重新送電。由于變頻器控制的靈活性，用現(xiàn)在的控制方式，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)撞到限位后，只停止撞限位機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，不會(huì)中斷主回路電源，而且，反方向運(yùn)動(dòng)完全不受影響。實(shí)現(xiàn)的方法是，設(shè)置變頻器的一個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入為外部信號(hào)觸發(fā)跳閘，再把撞限位信號(hào)與運(yùn)動(dòng)方向信號(hào)加到這個(gè)開(kāi)關(guān)量輸入端。當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以某一方向撞到限位停車后，反方向操作控制器即可解除變頻器跳閘信號(hào)。

圖1 單機(jī)控制原理圖

1．5 控制系統(tǒng)的構(gòu)成

采用變頻器的行車主回路原理圖如圖2所示。供電部分由斷路器和接觸器組成。斷路器用作行車控制裝置的保護(hù)電器，擔(dān)任行車控制裝置總過(guò)載保護(hù)和短路保護(hù)。接觸器用作行車控制裝置的總電源控制開(kāi)關(guān)。

小車、大車和吊鉤各有一套變頻驅(qū)動(dòng)線路，用以控制各自的拖動(dòng)電機(jī)。每套線路各含變頻器一臺(tái)、變頻器保護(hù)用快速熔斷器三個(gè)、制動(dòng)電阻一個(gè)、抱閘接觸器一個(gè)。其中大車線路兩臺(tái)電機(jī)用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)抱閘也用一個(gè)接觸器控制。

每套線路還含凸輪控制器一個(gè)(小車、大車)或主令控制器一個(gè)(吊鉤)，用以控制各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。一個(gè)按鈕用于變頻器故障跳閘后的復(fù)位。

三套變頻驅(qū)動(dòng)線路由一路控制電源(含一個(gè)整流電源)供電和保護(hù)。

總控制由一個(gè)PLC承擔(dān)，其任務(wù)包括:運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和故障信號(hào)的采集、處理和發(fā)送、總電源控制、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)碰限停車指令。

1．6 總控制原理

在通電以前，操作艙門(mén)、橫梁欄桿上的兩扇門(mén)必須關(guān)上，防止在電源沒(méi)有斷開(kāi)的情況下，人從操作艙走出，或者人走出欄桿，來(lái)到滑觸線附近，發(fā)生人身觸電事故。另外，為避免通電后運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)突然起動(dòng)而產(chǎn)生沖擊造成事故，必須在通電以前將所有的凸輪控制器和指令控制器放到零位。

小車向前(向后)如果碰到限位開(kāi)關(guān)，將使變頻器跳閘，使小車停止繼續(xù)向前(向后)。但這時(shí)改變運(yùn)動(dòng)方向，起動(dòng)和運(yùn)動(dòng)將不受影響。大車和吊鉤的控制也具有相同的功能，只是吊鉤僅設(shè)有向上的限位開(kāi)關(guān)。

為了使操作人員了解相關(guān)狀態(tài)，行車控制裝置操作盤(pán)上裝設(shè)了通電狀態(tài)、各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)方向、變頻器故障等指示燈。并且為了確保不因指示燈偶然失效導(dǎo)致錯(cuò)誤信息發(fā)出，設(shè)置了試燈線路，當(dāng)按下試燈按鈕時(shí)，所有指示燈均亮起，哪個(gè)失效便能一目了然。

圖2 采用變頻器的行車主回路原理圖

2 結(jié)語(yǔ)

本改造方案是對(duì)在用設(shè)備的改造，原則是保持改造前的操作方式，同時(shí)要厲行節(jié)約，盡量利用原有電器設(shè)備，新類型電器設(shè)備的選用也應(yīng)掌握盡量降低改造成本的主旨，評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)充分考慮到這些因素。本改造方案在以下方面取得了明顯收益:

(1)優(yōu)化動(dòng)態(tài)性能。改造前，由于轉(zhuǎn)子串電阻致使電機(jī)機(jī)械特性軟化造成轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，改造后，電機(jī)機(jī)械特性由具有基本恒定轉(zhuǎn)差率的平行特性取代，特性硬度與固有特性硬度相似。改造前，由于切換電阻產(chǎn)生不可控加速度造成機(jī)械沖擊，改造后，各檔速度之間都可設(shè)置平穩(wěn)過(guò)渡段，大大降低了機(jī)械沖擊的強(qiáng)度。

(2)降低功耗。改造后，小車、大車和吊鉤的起動(dòng)、調(diào)速、停車和轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)差功率損耗有了極大的降低，改造后的功率損耗主要產(chǎn)生在吊鉤的位能負(fù)載下降時(shí)的能耗制動(dòng)上。

(3)降低故障發(fā)生率。改造前，由于控制線路復(fù)雜，導(dǎo)線連接點(diǎn)多，大電流觸點(diǎn)多，造成故障多。改造后，應(yīng)用PLC，導(dǎo)線連接點(diǎn)少，調(diào)試簡(jiǎn)單，可靠性增加。主回路應(yīng)用變頻器，無(wú)大電流觸點(diǎn)。

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