周榆峰

（廣東省嶺南工商第一技師學院，廣東 嶺南 510800）

0 前言

傳統(tǒng)的以繼電器、接觸器為基礎的橋式起重機電路是個十分成熟的電路，在計算機沒有用到工業(yè)設備之前，以凸輪控制器實現大車、小車及副鉤的操作，以主令控制器加繼電器實現主鉤的操作控制的確是科學的，并體現了工程的經濟性。幾十年來，凸輪控制器及主令控制器雙向多檔位的操作方式在起重機中幾乎形成了固有的模式，但近幾年，隨著計算機技術與電力電子器件的迅猛發(fā)展，電氣傳動和自動控制領域也日新月異，其中代表性的是交流變頻器裝置和可編程控制器獲得了廣泛的應用，為PLC控制的變頻調速技術在橋式起重機拖動系統(tǒng)中的應用提供了有利條件。下面主要闡述利用PLC和變頻器對橋式起重機的主鉤電路進行改造的一種方法。

橋式起重機是在廠礦企業(yè)、車站、港口、倉庫、建筑工地等部門常用的起重設備，其結構是由可前后移動的橫梁大車、左右移動的小車和固定在小車上可上下移動的主、副吊鉤組成。工作時，主鉤或副鉤從一個地方將工件吊起，通過橫梁大車和小車的移動將工件搬到另一個地方，再將工件放下。

傳統(tǒng)的交流橋式起重機（以15t/3t為例）分主電路、控制電路。主電路是由凸輪控制器和接觸器組成的。其中凸輪控制器QM1、QM2、QM3分別用來控制大車、小車、副鉤的正反轉和速度調節(jié)，主鉤是由接觸器經控制線路中主令控制器來控制主鉤的正反轉，調速和制動?？刂齐娐飞习氩糠譃槠鹬貦C的電源控制電路，主要為零位及限位保護，下半部分為主鉤主令控制器與接觸器的工作電路。使用凸輪控制器控制的各臺電動機，在凸輪控制器的觸點上流過的是電動機的工作電流。由主電路可知，交流380V電源經隔離開關SQ1進入電源保護控制回路，需要開動起重機時，一定要將橫梁凸輪控制器QM1、小車凸輪控制器QM2、及副鉤凸輪控制器QM3置零位，還要把橫梁護欄、駕駛室艙口都關好，使欄桿行程開關SQ1、SQ2、艙口安全開關SQ3閉合，再按下起動按鈕SB1，則接觸器KM1得電自鎖吸合，電動機主回路和主鉤控制回路均供電。其后的操作由于電路在動作上相對較為獨立，在此不再多加細說了。

圖1 主鉤電機串電阻調速機械特性

橋式起重機的工作常是斷續(xù)式的，時開時停，每小時接電次數多。因此，所用電動機經常處于起動、制動、反轉之中；負載很不規(guī)律，時輕時重，經常承受大的過載和機械沖擊。同時，起重機還要具有一定的調速范圍，但其對調速平滑性一般要求不高。為此，專門設計制造了起重機用電動機，我國生產的起重機電動機有JZR型和JZ型 （新系列為YZR與YZ），前者為繞線式感應電動機，后者為鼠籠感應電動機，這種電動機一般按反復短時工作制制造，具有較大的起動轉矩和最大轉矩，以適應頻繁和重負荷下起動、制動、和正反轉，滿足減少起動時間和經常過載的要求。傳統(tǒng)的交流橋式起重機的電機一般采用繞線式感應電動機。

用主令電器配合接觸器控制主鉤電動機在不同檔位轉子串電阻調速時的機械特性如圖1所示。

由于傳統(tǒng)的橋式起重機的電力拖動系統(tǒng)采用交流繞線式異步電動機轉子串電阻起動和調速，采用繼電器、接觸器進行控制，使該系統(tǒng)在使用中存在以下問題：

1）橋式起重機工作環(huán)境惡劣，工作任務重，電動機及所串電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生。

2）繼電器、接觸器控制系統(tǒng)可靠性差、操作復雜、故障率高。

3）轉子串電阻調速機械特性軟，負載變化時轉速也變化，調速效果不理想。

4）所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，效率低。

為了節(jié)約能源，提高起重機的工作效率，可利用PLC、變頻器技術對交流橋式起重機的主要部位——主鉤控制進行技術改造（以15t/3t橋式起重機為例）。其改造思路和具體方案為：

1 主鉤電機的特征分析及控制特點和要求

主鉤是橋式起重機的主要提升機構，當改用變頻器來控制主鉤電機的轉速時，電動機工作的機械特性：當重物上升時，主鉤電動機克服各種阻力（包括重物的重力、磨擦阻力等）而作功，屬于阻力負載，電動機正轉。這時電動機旋轉方向與轉矩方向相同，處于電動機狀態(tài)，其機械特性在四象限中的第1象限，如下圖2中曲線所示：

圖2 主鉤電機吊重物上升時機械特性

當重物下降時，由于重物本身有按重力加速度下降的能力。因此，當重物的重力大于傳動機構的磨擦阻力時，重物本身的重力（位能）是下降的動力，電動機成為了能量的接受者，故屬于動力負載，這時電動機的轉子轉速將超過同步轉速而進入了再生制動狀態(tài)，電動機的旋轉方向是反轉（下降）的，但其轉矩的方向卻與旋轉方向相反，是正方向，這時其機械特性在第4象限，如下圖3曲線所示：

圖3 主鉤電機吊重物下降時機械特性

但當重物的重力（輕載式空鉤）小于傳動機構的磨擦阻力時，重物自身是不能下降的，必須由電動機反向運行來實現，這時電動機的轉矩和轉速都是負的，故機械特性曲線在第3象限，如下圖4曲線所示：

圖4 主鉤電機吊輕物下降時機械特性

根據主鉤電機的以上特征，主鉤電機的控制可采用具有機械互鎖和速度控制且能頻繁起停的主令控制器配合PLC、變頻器來完成主鉤的上下運行、調速和制動等 ，在控制時需要具有以下電氣控制要求：

1）可經常帶負載起動，且在重負載下時，主鉤在各檔速度下仍能平穩(wěn)工作；

2）在滿負載時，能在空中停止并重新啟動不產生溜鉤的現象；

3）主鉤的負載力矩為位能性反抗力矩，因而電動機可能運轉在電動狀態(tài)或制動狀態(tài)，下放重物，電機工作于制動狀態(tài)時，再生能量必須速迅釋放，停車時必須采用機械制動；

4）除此這外，還要有必要的零位、失壓、短路、過載和行程終端保護等。

2 主令控制器的功能

主令控制器是一個具有機械互鎖的13檔位開合狀態(tài)的開關量控制器，它具有頻繁起停、上下速運行、行程控制、零位保護等功能。主鉤的主令控制器在不同檔位開合狀態(tài)信號，主令控制器的是將對電動機正反轉、調速、零位保護、限位保護等命令開關量信號輸送給系統(tǒng)（PLC的輸入），作為主鉤系統(tǒng)的控制輸入信號。

3 變頻器的選擇

3.1 類型的選擇

變頻器為電動機提供頻率可調的交流電源，是實現電動機速度調節(jié)的關鍵設備。根據控制功能分有三種類型：即普通功能控制型、具有轉矩控制的高功能型、矢量控制高性能型；由于主鉤負載為恒轉矩負載，可選用具有轉矩控制功能的高功能型變頻器，因為這種變頻器低速時轉矩大，靜態(tài)機械性硬度大，不怕沖擊負載，具有挖士機的特性；同時其性能價格比還是相當令人滿意的。故選用三菱FR—A240E系列高功能型變頻器。

3.2 容量的選擇

在起重機械中，因為升降速時電流較大，同時在下放重物時，電機持續(xù)工作在制動狀態(tài)，則變頻器的容量適當予以放大。通常，起重機械用變頻器容量是按以下步驟求出的：

1）先求出負載的電機容量Pmn(kW),公式是Pmn≥Gn·ν/6120·η。式中Gn——額定重量（kg）,具體計算時，應考慮須有125%的過載能力，v——額定線速度（m/min）,η——機械效率。

2）再根據負載電機容量計算變頻器的容量 （kVA）,公式是Pcn≥k·Pmn/η·cosφ。式中k——電流波形的修正系數 （PWM方式取1.05-1.1），η——電動機的效率(通常取0.75)。

3）變頻器的額定電流計算式：變頻器額定電流＞電動機額定電流×（k1·k3/k2）,式中k1——所需最大轉矩與電機額定轉矩之比值（一般取1.5-1.8）,k2——變頻器過載能力(一般取1.5),k3——裕量(取1.1)。

對于15/3t橋式起重機的主鉤電機容量已經知道，為22 kW，則根據公式計算出變頻器的容量Pcn≥k·Pmn/η·cosφ≥38 kVA，故選用容量為40kVA的變頻器，且能滿足變頻器的額定電流的計算公式。

3.3 變頻器的速度控制與要求

變頻器具有可以預先設定多檔工作頻率（大多為7檔或8檔），頻率的檔次由外部控制模式中控制端子RH、RM、RL的不同狀態(tài)組合來實現，同時利用PLC的三點輸出信號來控制RH、RM、RL的不同狀態(tài)組合，實現變頻器對主鉤電機的不同速度控制，。由于主鉤上、下行速度控制具有六檔位速度控制，在改造時用了前面六擋不同組合來實現了速度的控制。在傳統(tǒng)的主鉤控制中，下行控制中的“J”檔是下降的準備檔，是為將齒輪等傳動部件咬合好，以防止下放重物時突然快速運動而使傳動機構受到劇烈的沖擊（防止溜鉤）而設計的，這時主鉤電動機加上正向相序電壓，同時電磁抱閘末松開制動輪，因此，電機轉子不動，因而在“J”檔中不允許停留時間過長，以免電動機堵轉而燒壞。在改用變頻器控制改造中取消了這個準備檔，但是為了防止溜鉤現象，我們利用了變頻器的輸出頻率檢測功能信號輸出端子FU，配合PLC來控制主鉤的電磁抱閘的動作。起動時，頻率逐漸增加，電機繞組加上正向或反向的旋轉磁場，但由于頻率未能增加至輸出頻率檢測功能的設定值，抱閘線圈不得電，抱閘不松開，防止了溜鉤。同理，停止時，頻率逐漸減小，降至輸出頻率檢測功能的設定值，先使抱閘線圈失電，抱閘抱緊制動輪，再使電機頻率逐漸減小至零，也防止了溜鉤。

此外，主鉤在下放重物時，由于重力作用，電動機將處于再生制動狀態(tài)，電機的動能將通過逆變器反饋到變頻器的直流回路中，使直流電壓升高，甚至達到危險的地步。因必須配置專用的制動單元和制動電阻，以保證足夠的轉矩。同時使直流回路電壓保持在允許范圍內。制動電阻的容量一般應和電動機的功率相等，制動電阻值的大小計算公式為：

R=（Ud·Ud）/Pm，制動單元的允許電流按電機的工作電流的兩倍考慮。

4 PLC的控制

PLC是主鉤系統(tǒng)的控制部分，接受來自主令控制器、按鈕、變頻器頻率檢測信號等，對主鉤的控制系統(tǒng)進行控制，是主鉤的控制核心。根據主鉤的控制要求及點數要求，選用點數為48點的PLC基本單元，在主鉤改造中，我們選用了三菱系列中FX2N——48MR型PLC。其輸入/輸出(I/O)的接線圖5所示為：

圖5 PLC的I/O接線圖

由上面PLC的I/O接線圖各點的定義與主鉤原控制中的功能要求，編寫了一套控制程序，實現對主鉤的上下運行、調速、制動等的控制，在梯形圖中，Y1（KA0）是主令控制器的零位信號，用來控制外接電壓繼電器kV，對主鉤控制線路起失壓和零位起動，保證每次起動電機頻率從零逐漸增加；M0為變頻電源接通條件軟繼電器，由外部電壓繼電器kV控制，同時它也具有短路、過載、失壓、變頻器異常等保護功能；M4是主鉤電源接通軟繼電器；M1、M2是主令控制器的上、下行允許軟繼電器，作限位保護和上行超程控制；Y0(KM2)主鉤電源接觸器；Y2、Y3是變頻器的上、下行相序控制信號；Y5（KA5）、Y6(KA6)、Y7{KA7}是變頻器的檔位速度控制，對主鉤進行速度調節(jié)控制；M3是變頻器頻率檢測軟繼電器，由變頻器頻率檢測輸出信號端FU(X04)控制；Y4(KM4)是主鉤制動用電磁抱閘電源控制接觸器，它是采用失電制動，由電機速度控制檔和頻率檢測信號(M3)配合控制抱閘電源；Y10(KA3)是變頻復位信號，對變頻器起復位作用。為了確保PLC控制的變頻器調速技術對橋式起重機主鉤拖動系統(tǒng)達到改造要求，進行了主提升機構模擬負載試驗。其載荷分為：空鉤17%，負載為62.1%、106%、125%額定負荷，速度分為三擋：10%、60%、100%；副鉤為 3t，載荷分為：空鉤 30.6%，負載為62%、92%、123%，速度也分為三擋：10%、60%、100%。試驗數據如附錄6所示：試驗證明，采用PLC控制的變頻器調速改造方案的各項技術數據均優(yōu)于其他調速方案，可達到改造目標。

5 方案實施

1）由于主鉤電動機所用的是繞線式電機，因此要將該電機的轉子三相繞組在滑環(huán)處短接（原串電阻全部取消）；

2）根據主鉤主電路、控制電路接線原理圖對主令控制器、PLC、變頻器進行改裝與接線；

3）變頻器的參數設定；

4）PLC程序編寫與輸入；

5）整機調試與試運行；

6）信息回饋。

6 結束語

由此可見，利用PLC控制的變頻調速技術對橋式起重機主鉤電路進行改造，系統(tǒng)的各擋速度、加速時間都可根據現場情況由變頻器設置，調整方便，增加了主鉤的靈活性和工作環(huán)境，當負載變化時，各擋速度基本不變，調速性能好，并能迅速準確地移動和定位。良好的低速性能，經過一段時間的試運行，不但提高了起重機的工作效率，而且節(jié)能效果明顯。同時，故障維修率大為減少，達到改造目的，具有一定的推廣價值。

［1］馮垛生.變頻器的應用與維護[M].廣州：華南理工大學出版社，2005：168-172.

［2］何煥山.工廠電氣控制設備[M].北京：高等教育出版社，2012：130-137.

［3］張燕賓.SPWM變頻器調整應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：89-96.