丁高耀

（寧波市特種設(shè)備檢驗研究院，浙江 寧波315048)

橋式起重機(jī)大量應(yīng)用于冶金、機(jī)械、化工、輕工、紡織和建材等廣泛領(lǐng)域，對工礦企業(yè)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量起到重大的作用。傳統(tǒng)的橋式起重機(jī)其電機(jī)拖動以轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式為主，綜合性能指標(biāo)較差，在起動電流時容易對電網(wǎng)造成大的沖擊。起重機(jī)常在額定速度下進(jìn)行機(jī)械制動，存在著對起重機(jī)的機(jī)構(gòu)沖擊大、功率因數(shù)低、線路損耗大、總體故障率較高、現(xiàn)場維護(hù)量較大等缺點。廣大起重機(jī)使用單位都嘗試對電機(jī)的拖動方式進(jìn)行改造，通過運用交流變頻調(diào)速技術(shù)來改善起重機(jī)調(diào)速性能，從而達(dá)到節(jié)能和減少故障率、增加使用安全程度的效果。

如何快速有效地在原有起重機(jī)的系統(tǒng)配置下，制定一套行之有效的改造方案，使橋式起重機(jī)變頻改造既省時間和費用，又能達(dá)到預(yù)期的效果，是我們廣大起重機(jī)械施工、使用單位一直摸索和追求的方向。為了方便各施工單位迅速掌握橋式起重機(jī)變頻改造的流程及要點，我們通過對某公司一臺鑄造起重機(jī)的實施變頻改造，總結(jié)相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗，制定以下橋式起重機(jī)變頻改造通用方案，供各施工單位及使用單位借鑒。

1 改造依據(jù)

改造的依據(jù)主要根據(jù)以下兩部分進(jìn)行：

（1）根據(jù)起重機(jī)使用技術(shù)條件，包括用途、環(huán)境條件、基本參數(shù)性能要求。

（2）依據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB6067.1-2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分：總則》、GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》、GB/T14405-2011《通用橋式起重機(jī)》、GB5226.2-2002《機(jī)械安全機(jī)械電氣設(shè)備第32部分:起重機(jī)械技術(shù)條件》、GB/T12668.2-2002《調(diào)速電氣傳動系統(tǒng)第2部分：一般要求低壓交流變頻電氣傳動系統(tǒng)額定值的規(guī)定》、GB/T21972.1-2008《起重及冶金用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)技術(shù)條件第1部分：YZP系列起重及冶金用變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)》等。

2 改造流程

整個改造過程主要分為三個階段。第一為變頻控制系統(tǒng)設(shè)計階段，其首先應(yīng)根據(jù)改造的實際情況設(shè)計出起重機(jī)變頻調(diào)速及控制整套傳動原理圖；然后對主要電氣設(shè)備及部件進(jìn)行設(shè)計及選取，其內(nèi)容主要包括先確定總配電柜、各機(jī)構(gòu)控制柜和操縱臺功能及數(shù)量，再具體對各機(jī)構(gòu)應(yīng)配置的電動機(jī)、變頻器、PLC、制動單元及制動電阻等主要電氣設(shè)備進(jìn)行設(shè)計和選取。第二為電氣設(shè)備及部件采購階段，根據(jù)設(shè)計的參數(shù)、功能及數(shù)量，聯(lián)系合適的電氣元器件供應(yīng)商。第三為現(xiàn)場施工及調(diào)試階段，首先拆除原有不再利用的電器系統(tǒng)，電動機(jī)如仍使用的應(yīng)進(jìn)行保養(yǎng)或更換變頻專用電機(jī)，再安裝配電柜和各機(jī)構(gòu)控制柜，包括控制柜中的變頻器安裝，然后對其他電氣設(shè)備和電器元件進(jìn)行安裝，并布線連接；安裝完畢后設(shè)定變頻器和PLC的參數(shù)；最后通電空載和重載調(diào)試。具體改造流程圖見圖1。

圖1 變頻改造流程圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電氣傳動原理圖設(shè)計

一般老舊橋式起重機(jī)均采用繞線式切阻電機(jī)，噸位小的常采用凸輪直接控制系統(tǒng)，電動機(jī)啟動、停止、加速等均由凸輪器中的觸點直接來完成，整臺起重機(jī)沒有各機(jī)構(gòu)專用控制屏（無中間接觸器）；而噸位較大起重機(jī)常用主令控制系統(tǒng)，通過主令控制器的操縱來控制接觸器吸放，故各機(jī)構(gòu)均配有各自的專用控制屏。

變頻起重機(jī)的電氣傳動控制系統(tǒng)主要由變頻器、可編程序控制器控制系統(tǒng)和操作臺組成，通過PLC控制系統(tǒng)處理聯(lián)動操作臺的速度給定信號，調(diào)節(jié)變頻器的輸出相序和頻率來控制驅(qū)動電機(jī)的方向和轉(zhuǎn)速，取代原來的傳統(tǒng)繞線型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。變頻改造后的主起升機(jī)構(gòu)線路一般如圖2所示。

圖2 改造后主起升機(jī)構(gòu)線路圖

主起升機(jī)構(gòu)電機(jī)由一臺專用變頻器拖動，通過配編碼器實現(xiàn)閉環(huán)矢量控制，變頻器所有的指令均由PLC輸入，為使電氣制動平衡及下降工況發(fā)電制動散熱迅速，在變頻器中配置制動單元及制動電阻箱。

大、小車只用一般的變頻調(diào)速U/f控制即可，所以大車兩邊的兩臺相同型號電動機(jī)只用一臺變頻器拖動，只要變頻器的容量足夠就沒問題。

3.2 主要電氣設(shè)備、部件選取及更換

（1）總配電柜

因采用PLC控制，一般應(yīng)更換總配電柜?？偱潆姽窨梢院芊奖愕貙崿F(xiàn)電源斷錯相、短路、過載、各機(jī)構(gòu)極限位置、門聯(lián)鎖、超速、緊急停止等保護(hù)，并實現(xiàn)超載報警動作等功能。

（2）機(jī)構(gòu)控制屏

改造好各機(jī)構(gòu)變配控制屏，一般起升機(jī)構(gòu)為單獨設(shè)置，大小車運行機(jī)構(gòu)根據(jù)變頻器配置的大小，可以采用一個控制屏或二個屏分開設(shè)置。

（3）操縱臺

變頻調(diào)速配套的操縱臺，如原為主令操縱臺，并且檔位（一般為五檔）滿足要求，可以保留；如原為凸輪操縱裝置，應(yīng)更換為主令控制器。

（4）各機(jī)構(gòu)電動機(jī)

起升電動機(jī)由于繞線式電動機(jī)的電氣特性差，在慢速運行時有大量的能量產(chǎn)生，由于繞線式異步電動機(jī)散熱風(fēng)扇是一體的，在低頻率運轉(zhuǎn)時達(dá)不到散熱效果，所以要在每臺電動機(jī)上加一臺單獨控制的微型軸流風(fēng)機(jī)，以達(dá)到一定的散熱效果，以避免電動機(jī)長時間低轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的高溫現(xiàn)象。建議：選配YZP系列起重變頻調(diào)速專用電動機(jī)，該電機(jī)配冷卻風(fēng)扇；新購置的電機(jī)功率可以參照原電機(jī)的功率，大小車電機(jī)由于沒有位移負(fù)載，可以采用原來的繞線式電機(jī)，只要短接繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子上的電阻即可。

（5）各機(jī)構(gòu)變頻器

1）變頻器控制方式的選擇

由于起重機(jī)機(jī)構(gòu)多為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，故選用帶低速轉(zhuǎn)矩提升功能的電壓型變頻器。大小車機(jī)構(gòu)慣量較大，負(fù)載變化相對小，屬于阻力性負(fù)載，故大小車選用U/f開環(huán)控制方式的變頻器；起升機(jī)構(gòu)慣量較小，負(fù)載變化大，屬于位能性負(fù)載，為獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)，獲得理想的動態(tài)性能，通常采用矢量控制方式，采用閉環(huán)矢量控制方式可獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機(jī)械特性。

2）變頻器容量的選擇

變頻器容量的選擇是以電動機(jī)的額定功率為依據(jù)的。由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)與通用或其它異步電動機(jī)相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應(yīng)考慮濾波電流引起的過電流跳閘情況，同樣功率下的電動機(jī)，繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)額定電流往往較大，所以選擇時應(yīng)考慮一定余量。雖然起重機(jī)升降機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量很小，加速時間較短，但考慮到電網(wǎng)電壓波動的因素，以及對起重機(jī)1.1倍動載荷檢測要求等因素來選擇起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)的變頻器容量。大、小車運行機(jī)構(gòu)屬于大慣量負(fù)載，其加減時間一般不超過20 s，變頻器的短時過載能力為150%，不同的加速時間對變頻器容量的計算不同，當(dāng)加速時間大于2 min時，變頻器功率選擇應(yīng)放大些，以此來選擇大、小車運行機(jī)構(gòu)電動機(jī)的變頻器容量。

（6）制動單元和制動電阻的選擇

當(dāng)電動機(jī)處于反接制動或再生制動狀態(tài)，變頻器內(nèi)直流電路儲能電容兩端的電壓將升高，為避免電壓過高而使直流過壓保護(hù)動作，必須將這部分能量回饋至電網(wǎng)或增設(shè)制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。廠商提供與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大車、小車、主副升、降制動單元均選用與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大、小車、主副升、降制動電阻均選用國產(chǎn)變頻器專用制動電阻器。

（7）PLC的選用

根據(jù)改造后橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)的現(xiàn)場輸入，輸出信號的數(shù)量及作用，結(jié)合改造要求及應(yīng)用習(xí)慣選擇PLC型號規(guī)格。橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行及速度換檔，小車的前、后行及速度換檔，主、副鉤的升、降及速度換檔等。保護(hù)功能有：主、副鉤上升限位、下降限位，大車限位、小車限位，主副鉤及大小車電機(jī)的保護(hù)等。這些都可通過PLC進(jìn)行無觸點控制。通過確定輸入與輸出信號的數(shù)量從中選取I/O模塊的長度，如原來是PLC控制，改造后其輸入輸出點增加，也可以采用附加擴(kuò)展模板的形式。

（8）變頻器參數(shù)設(shè)置要點

1）主令控制器的檔位，實際上是控制電機(jī)頻率，一般采用50-40-30-20-10-0-10-20-30-40-50 Hz控制方式，也可根據(jù)用戶實際需求，重新設(shè)定速度的變化值。

2）橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由于停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。在這個問題上，主要用變頻器運行參數(shù)設(shè)置與變頻器的制動單元、制動電阻和液壓制動器的配合而達(dá)到完美的效果。

3）自動轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置，在調(diào)試過程中適當(dāng)?shù)靥岣咧蓄l電壓可以改善低頻特性，從而提高啟動轉(zhuǎn)矩；提高零頻電壓可以加大直流勵磁，使電機(jī)保持足夠大的轉(zhuǎn)矩防止溜鉤。

4）變頻器的加減速時間設(shè)置為3～6 s比較合適，時間太短，容易出現(xiàn)過流現(xiàn)象，時間過長，不容易吊物定位。停車方式應(yīng)設(shè)為減速停止。減速時間3 s表示從50 Hz減速到初始頻率的時間。

4 現(xiàn)場施工

（1）拆除原有電器系統(tǒng)。拆除原有系統(tǒng)包括：拆除原有的電氣保護(hù)柜，拆除原有操縱臺，拆除原有起升機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)，拆除原有大小車機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)。

（2）原電機(jī)部分檢修工作。檢修工作包含：檢查電機(jī)繞組部分的絕緣情況，檢查電機(jī)軸承并加油。

（3）變頻器的安裝。變頻器的安裝主要包含：起升機(jī)構(gòu)變頻柜安裝及接線，大車運行機(jī)構(gòu)變頻柜安裝及接線以及小車運行機(jī)構(gòu)變頻柜安裝及接線。

（4）新配變頻調(diào)速操作臺接線。

（5）進(jìn)行整機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的單元調(diào)試工作。

5 結(jié)束語

根據(jù)相關(guān)技術(shù)條件及標(biāo)準(zhǔn)對橋式起重機(jī)變頻改造流程進(jìn)行了擬定，提出其控制系統(tǒng)設(shè)計方案，對主要電氣設(shè)備、部件選取和更換，變頻器參數(shù)設(shè)置時的注意事項進(jìn)行了總結(jié)。最后，設(shè)計出具體施工步驟，確保實際變頻改造工作的順利開展。