摘要：傳統橋式起重機的電控系統能耗大，故障率高，調速精度差，已很難滿足現代工業要求。在橋式起重機系統中采用變頻調速技術，可以很好的提高可靠性和調速精度，并具有一定的節能效果。
關鍵字：變頻器；橋式起重機；轉子繞線式電機

1.引言
橋式起重機是工礦企業中使用十分廣泛的一種裝卸設備，由于橋式起重機的工作環境惡劣，經常需要在重載下頻繁起動、制動、正反轉、變速等操作，沖擊電流大，振動大，所以在傳統的繼電器-接觸器控制的電氣系統中，接觸器的觸頭因電機經常有沖擊電流而燒壞，造成維修量大，維護成本極高，造成生產線停產損失更加不可估量，且傳統的起重機調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足工業生產的要求。而調速性能高、工作可靠、維護方便的交流變頻調速系統為橋式起重機的控制提供了一種全新的方案。該方案控制線路簡單、運行穩定、維護量小、保護監測功能完善，且高效、節能，因此采用交流變頻調速是起重機交流調速技術發展的主流。

2.橋式起重機的結構及控制
橋式起重機是一種橫架在固定跨間上空用來吊運各種物件的設備。一般由起重小車、橋架金屬結構、橋架運行機構以及電氣控制設備等四個部分組成。運行機構主要指主起升機構、副起升機構、小車運行機構、大車運行機構。在電氣控制系統中，其供電一般是通過小車導電裝置（輔助滑線）、起重機總電源導電裝置（主滑線）等部分將電源輸送到中心電器上。
橋式起重機可以實現重物在三維空間的垂直、橫向、縱向運動，通過大車電動機驅動沿車間兩邊的軌道作縱向前后運動；小車及提升機構由小車電動機驅動沿橋架上的軌道作橫向左右運動，在升降重物時由起重電動機驅動作垂直上下運動，如圖1所示
圖1 橋式起重機的主要結構和運動形式

傳統的橋式起重機一般采用繼電器-接觸器控制，電機為交流繞線式電動機，采用轉子串電阻的方法啟動和調速，如圖2所示。啟動時，升接觸器或者降接觸器吸合，電磁制動器接觸器吸合打開抱閘，調速電阻上的接觸器不動作，電機低速轉動；當需要變速時通過吸合調速電阻上的不同接觸器來改變轉子線圈的電阻值，達到改變電機的轉速。這種控制系統有著許多缺點，電動機轉子串電阻調速屬能耗型轉差調速，能耗大，機械特性軟，調速范圍小，平滑性差；繼電器-接觸器控制系統在頻繁切換的情況下，沖擊電流大，觸頭燒損、電刷冒火、電動機以及轉子所串電阻燒損和斷裂故障時有發生，故障率很大。

圖2 起升機構電氣圖
 
3.變頻調速系統特點
隨著電力電子技術的發展，變頻器的性能和穩定性得到了極大地提高，使在起重機上運用變頻器變為了可能，從而根本上解決了傳統橋式起重機電控系統的缺點。在起重設備中使用變頻調速控制必須先了解起重機各運行機構對傳動系統的要求。
（1）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。
（2）由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序。
（3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發電狀態，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現場情況研討如何處理這部分再生能量。
（4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。
根據以上起重機的運行特點，變頻調速系統的主要設備將采用以下方法選擇：
3.1 變頻器容量的選擇
3.1.1 起升機構（主/副 鉤）驅動變頻器的容量P0（kVA）必須大于負載需求：
        P0≥k×Pm/(η×cosφ)                                  （1）
        式中 k―過載系數，為電機輸出最大力矩與規定力矩的倍數（一般為2）除以變頻器過載系數；
Pm―負載需求電動機軸的輸出功率（kW）；
η―電動機效率（通常約0.85）；
cosφ―電動機的功率因素（通常約0.75）；
3.1.2平移機構包括大車小車回（旋）轉機構，大多采用多臺電機傳動，因此驅動變頻器采用一拖多形式，變頻器的容量必需大于總負載需求的電流：
        ICN≥k×n×In                                         （2）
式中 k―電流波形修正系數，PWM調制時取1.05~1.1；
In―工頻時單臺電動機額定輸出電流（A）；
ICN―變頻器額定輸出電流（A）；
n―單臺變頻器驅動電動機的數量；
3.2 制動單元和制動電阻的選擇
3.2.1平移機構制動單元、制動電阻的選擇
平移機構驅動上的制動單元、制動電阻一般按變頻器說明書上對變頻器與制動單元、制動電阻的標準配置進行選擇。
3.2.2起升機構制動單元、制動電阻的選擇
起升機構在下降過程中再生電能能量大，時間長，為保證變頻器正常工作需重新配置制動單元和制動電阻。
    （1）電阻值RB 的計算
RB的最小電阻值Rmin由變頻器的最大電流值I(max)和制動單元技術規格決定如下
        Rmin= VC /I(max)                                      （3）
為滿足制動力矩的要求，最大電阻值Rmax由最大制動功率PB(max)求得：
        Rmax=V2C / PB(max)= V2C /（130%×Pe）                 （4）
        電阻的取值范圍：
        Rmin＜RB＜Rmax                                        （5）
        式中 VC一般為700V
Pe―電機額定功率
    （2）電阻額定功率PR
        PR＞0.8 Pe/m                                          （6）
式中 m―電阻的功率增加率，由電阻的選型手冊查到，一般按1.5計算。

4.起重機變頻調速系統設計
4.1 變頻調速系統的電氣設計
現以江蘇溧陽某變壓器廠50T雙梁橋式起重機起升機構變頻改造為例，詳細說明起重機變頻調速的設計步驟。該起重機起升機構驅動電機采用的是YZR315S-10?的電機，功率為55KW，根據式（1）及電機參數計算得到起升機構所需的變頻器容量為95KVA，現采用四方電氣高性能重載性矢量變頻器A510-4T0750變頻器，該變頻器容量為98KVA，且具有超強的過載能力和啟動力矩以及多種典型宏參數可一件完成設置，內置的三相濾波器和電抗器減少了諧波，增強了抗干擾，因此非常適合起重機起升機構的工況應用，制動電阻根據式（3）到（6）求得。具體設計如圖3所示，由于不需要串電阻調速，因此要將電機的轉子短接， K1，K2為正轉反轉信號，K3，K4，K5為多段速控制信號，電磁制動接觸器控制電磁制動器的抱閘動作。

圖3起升機構變頻控制電氣設計圖

4.2起重機變頻調速系統的控制要點
橋式起重機控制系統中，大車和小車一般由一臺變頻器帶多臺電機，因此變頻器采用U/F控制方式，而起升機構為一對一控制，為獲得良好的性能采用無感矢量控制模式。起重機在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發生重物由停止狀態下滑而產生溜鉤。在這個問題上主要考慮變頻器運行時與電磁制動器接觸器吸合的配合時間，若在上升，下降過程中制動器打開過早，易出現溜鉤，打開過晚，變頻器容易報故障，在停車過程中，若抱閘過早，變頻器容易報故障，抱閘過晚容易出現溜鉤。所以，解決此問題的關鍵主要有兩點：
1）起吊重物停住控制要點
通過設定停止起始頻率，和維持時間（應大于制動電磁鐵抱閘時間0.6S），當變頻器的工作頻率下降到時，變頻器輸出一個“頻率到達信號”，發出制動電磁鐵斷電指令，此時維持一段時間，隨后變頻器工作頻率降為0Hz。
2）起吊重物起升降控制要點
設定“升降起始頻率”和檢測電流時間，當變頻器到達的同時，變頻器開始檢測電流，確認電流足夠大，產生的力矩能抵消下降力矩時發出送開指令，使制動電磁鐵開始通電松開抱閘，應大于電磁鐵松開時間。但還有其他參數及機械上的配合；譬如：變頻器的加減速時間，電磁制動器彈簧的松緊程度等。具體控制邏輯如圖4所示。

圖4 電氣機械制動控制邏輯
結論
通過大量的現場裝備，和該廠原有系統相比，調速精度高，運行平穩，加快了裝配速度，提高了工作效率，在低速時啟動力矩大，系統啟動平穩，減少了對減速機，聯軸器，鋼絲繩的機械沖擊，也降低了對電網的沖擊，使維護費用大大降低，且節能效果顯著，充分驗證的本文方案的有效性，和可行性。
參考文獻
[1] 實用起重機電氣技術手冊 傅德源，2011
[2] 李方圓. 變頻器行業應用實踐，2006（1）
[3] A510使用手冊 深圳市四方電氣技術有限公司，2012（V1.1）

上一產品：V560變頻器在礦井提升機上的應用

下一產品：導軌式提升機