橋式起重機(jī)電控系統(tǒng)改造

1、天車也稱橋式起重機(jī)，主要用來起吊、放下和搬運(yùn)重物、并使重物 在一定距離內(nèi)水平移動(dòng)的起重、搬運(yùn)的設(shè)備，它是由大車、小車、減速 機(jī)、電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。客戶公司是以生產(chǎn)鍍鋅鋼卷為業(yè)務(wù) 的加工型企業(yè)，由于鋼卷的重量大、形狀特殊，因此搬運(yùn)完全依賴于天 車，它的運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響到公司的正常生產(chǎn)，甚至涉及到工人的人身 安全。一、問題的出現(xiàn)因?yàn)樯a(chǎn)需求，在倉庫及車間各裝配2臺(tái)25噸起重量的天車，在 使用過程當(dāng)中經(jīng)常出現(xiàn)相同問題：（1）起動(dòng)電流過大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大；（2）機(jī)械設(shè)備使用壽命過短，電機(jī)連軸器、鋼繩等機(jī)械易磨損；（3）接 觸器、繼電器等電器元件的觸頭、線圈經(jīng)常燒壞；（4）電動(dòng)機(jī)故障率高。 而維

2、修天車屬于高空作業(yè)，極不方便，而且天車故障很大程度上影響了 生產(chǎn)進(jìn)度。基于上述原因，客戶要求對(duì)天車故障全面檢查，進(jìn)行改進(jìn)。二、故障檢查與分析經(jīng)過詳細(xì)的檢查、試驗(yàn)以及分析，產(chǎn)生故障的原因有5個(gè)方面：（1）拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量大，起動(dòng)時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊大，而且電動(dòng)機(jī) 一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作，電能浪費(fèi)嚴(yán)重。（2）天車升降、小車、大車起動(dòng)、停止速度過快，而且都是慣性 負(fù)載，機(jī)械沖擊也較大，機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù) 較差，設(shè)備運(yùn)行可靠性較低。（3）天車每天需進(jìn)行大量的搬運(yùn)工作，由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通 過電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要控制元件-交流接觸器并通過繼電器來接入和 斷開電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十

3、分頻繁，在電流比較大的狀態(tài)下， 容易燒壞觸頭、線圈。同時(shí)因工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻因 灰塵、設(shè)備振動(dòng)等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。因而設(shè)備故障率比較高，維修 工作量比較大。同樣小車、大車的運(yùn)轉(zhuǎn)也存在上述問題。（4）在天車起升的瞬間，升降電動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)受力不均勻，易過載， 直接造成電機(jī)損壞或者鋼絲繩斷裂。（5）為適應(yīng)天車的工況，操作人員經(jīng)常性的反復(fù)操作，導(dǎo)致天車 的電器元件和電動(dòng)機(jī)始終處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動(dòng) 機(jī)的使用壽命。針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，我公司決定采用先進(jìn)的可編程控制 技術(shù)（PLC）和變頻器技術(shù)，以程序控制取代繼電器-接觸器控制，交 流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式采用變頻調(diào)速，進(jìn)

4、而實(shí)現(xiàn)天車的半自動(dòng)化控制?？蛻?公司看了我們的意見之后，在原材料充分的情況下，決定改進(jìn)倉庫入口 的天車。三、改進(jìn)方案首先應(yīng)該改進(jìn)的是交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，改進(jìn)過程當(dāng)中，采取了 變頻器調(diào)節(jié)方案。3.1拖動(dòng)系統(tǒng)1、電動(dòng)機(jī)選型大車與小車所用電動(dòng)機(jī)這個(gè)方面要求不高，選用普通的籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)即可，因此，原設(shè)備系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)不需作改動(dòng);升降用電動(dòng)機(jī)由于要求比較高，應(yīng)選用變頻專用的籠型轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)。原設(shè)備系統(tǒng)采用的是繞線式異步電動(dòng)機(jī)，出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮， 通過短接轉(zhuǎn)子回路也能進(jìn)行使用。2、調(diào)速方法采用目前國際先進(jìn)技術(shù)，具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)。變頻 后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，改進(jìn)中對(duì)主鉤電動(dòng)機(jī)我采用3段

5、速度運(yùn)行，從低 到高逐步切換，這樣，就有效的防止了電動(dòng)機(jī)的全矩啟動(dòng)。3、制動(dòng)方式在改造過程當(dāng)中，采用何種制動(dòng)方式顯得至關(guān)重要，既要準(zhǔn)確制動(dòng) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，又要防止突發(fā)事件，因此采用了再生制動(dòng)、直流制動(dòng)和 電磁機(jī)械制動(dòng)相結(jié)合的方法。這種結(jié)合方法具有如下兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，通過變頻器調(diào)速系統(tǒng)的再生制動(dòng)和直流制動(dòng)把運(yùn)動(dòng)中的大 車、小車和起重機(jī)的速度迅速而準(zhǔn)確地降到0（使它們停止）；對(duì)于天車，常常會(huì)有重物在半空中停留一段時(shí)間（如重物在半空 中平移），而變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物靜止，但因設(shè)備容易受到外界因 素的干擾，（如在平移過程中常易出現(xiàn)的瞬間斷電）因此，利用電磁制動(dòng) 器進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)仍然是必須的。3.2變

6、頻調(diào)速系統(tǒng)的控制要點(diǎn)天車拖動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)作包括：大車的左、右行走及速度檔位；小 車的前、后行走及速度檔位；起重機(jī)的升、降及速度檔位等。所有這些， 都可以通過可編程序控制器（PLC）進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。天車控制系統(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(dòng)器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象, 稱為溜鉤。防止溜鉤的控制需要注意的關(guān)鍵問題是：1）電磁制動(dòng)器在通電到斷電（或從斷電到通電）之間是需要時(shí)間的， 經(jīng)精確測(cè)試，大約0.6秒。因此，變頻器如過早地停止輸出，將容易出 現(xiàn)溜鉤。2）變頻器必須避免在電磁制動(dòng)器抱閘的情況下輸出較高頻率，以免 發(fā)生“過流”而跳閘的誤動(dòng)作。為此，

7、米取了如下控制方法：重物高空停止的控制過程設(shè)定一個(gè)“停止起始頻率” 5Hz,當(dāng)變頻器的工作頻率下降到5Hz 時(shí)，變頻器將輸出一個(gè)“頻率到達(dá)信號(hào)”，發(fā)出制動(dòng)電磁鐵斷電指令；另外將5Hz的維持時(shí)間設(shè)定為0.8秒，略大于制動(dòng)電磁鐵從開始 釋放到完全抱閘所需要的時(shí)間0.6秒；經(jīng)過0.8秒之后，變頻器將工作頻率下降止0，此時(shí)，主鉤電動(dòng) 機(jī)停止工作。重物升降的過程設(shè)定一個(gè)“升降起始頻率”5Hz，當(dāng)變頻器的工作頻率上升到5Hz 時(shí)，將暫停上升。為了確保當(dāng)制動(dòng)電磁鐵松開后，變頻器已經(jīng)能控制住 重物的升降而不會(huì)溜鉤，所以，在工作頻率達(dá)到5Hz的同時(shí)，變頻器將 開始檢測(cè)電流，并將檢測(cè)電流所需要的時(shí)間設(shè)定為0.3秒

8、；當(dāng)變頻器確認(rèn)已經(jīng)有足夠大的輸出電流時(shí)，將發(fā)出一個(gè)“松開指令”，使制動(dòng)電磁鐵開始通電;此時(shí)，還需設(shè)定一個(gè)升降起始頻率的維持時(shí)間，改造中，我將此 時(shí)間設(shè)定為0.8秒，略大于制動(dòng)電磁鐵從通電到完全松開所需要的時(shí)間;變頻器將工作頻率上升至所需頻率，現(xiàn)在，天車就可以開始起升 重物了。變頻器的零速全轉(zhuǎn)矩功能和直流制動(dòng)勵(lì)磁功能因此選用的變頻器必須具備有效的防止溜鉤的一些獨(dú)特的制動(dòng)功 能，如：零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，保持電動(dòng)機(jī) 有足夠大的轉(zhuǎn)矩。這一功能保證了起重機(jī)有升降狀態(tài)降為0時(shí)，電動(dòng)機(jī) 能夠使重物在空中停止，直到電磁制動(dòng)器將軸抱住為止，從而防止了溜 鉤的放生。起動(dòng)前的直流強(qiáng)勵(lì)磁功能變

9、頻器可以在起動(dòng)之前自動(dòng)進(jìn)行直流 強(qiáng)勵(lì)磁。使電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩，維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保 證電磁制動(dòng)器在釋放過程中不會(huì)溜鉤。變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的介紹大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別由兩臺(tái)7.5KW電動(dòng)機(jī) 拖動(dòng)，用一臺(tái)較大的變頻器（20KW）供電；小車由單臺(tái)2.2KW電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，并且由單獨(dú)的變頻器（3.7KW） 供電。起重機(jī)升降機(jī)構(gòu) 起重機(jī)升降由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)（45KW）驅(qū)動(dòng)，所以 應(yīng)選用一臺(tái)較大的變頻器（50KW）。制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻 本系統(tǒng)對(duì)于重物下降時(shí)電動(dòng)機(jī)再生的電能， 采取由變頻器外接的制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻消耗掉的方式。針對(duì)天車的起 重機(jī)升降機(jī)構(gòu)起、降制動(dòng)頻繁，要求制動(dòng)的轉(zhuǎn)矩較大，以及

10、下降時(shí)制動(dòng) 狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間較長等特點(diǎn)，因此：原制動(dòng)系統(tǒng)不需作改變。變頻器選擇：在改造過程中，選用了三菱系列FR-A540變頻器。采用變頻器驅(qū)動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速，通常應(yīng)根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)的額定電 流來選擇變頻器，或者根據(jù)異步電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的電流值（最大值） 來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流N （1.051.10）電動(dòng)機(jī)的額定 電流或電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的最大電流。I1nvN（1.051.10） In 或（1.051.10） Imax式中I1nv-變頻器額定輸出電流（A）；In-電動(dòng)機(jī)的額定電流（A）；Imax-電動(dòng)機(jī)實(shí)際最大電流（A）。對(duì)于起重機(jī)升降電動(dòng)機(jī)（45KW），考慮到功能性負(fù)載，工作時(shí)總 是

11、重載起動(dòng)、制動(dòng)。而且要求盡可能地快速起動(dòng)、制動(dòng)。變頻器的容量 是按上式計(jì)算得到的。根據(jù)實(shí)際情況，經(jīng)過與同類變頻器的性能與價(jià)格 及售后服務(wù)等方面的綜合考慮，變頻器選用三菱公司高性能矢量控制變 頻器。三菱FR-A540變頻器采用目前國際先進(jìn)的磁通矢量控制方式（無 速度傳感器調(diào)節(jié)范圍1:120，有速度傳感器1:1000），通過對(duì)電機(jī)勵(lì)磁電 流和轉(zhuǎn)矩電流進(jìn)行解耦控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的快速響應(yīng)和準(zhǔn)確控制，能以很 高的精度進(jìn)行寬范圍的調(diào)速運(yùn)行。另外FR-A540具多速控制功能，操作 更方便。變頻器參數(shù)設(shè)定：主鉤變頻器多段速度設(shè)定：將Pr4設(shè)定為50Hz, Pr5設(shè)定為20Hz, Pr6 設(shè)定為5Hz（Pr4.P

12、r5.Pr6為變頻器高.中.低速設(shè)定），Pr79設(shè)定為3 （外 部控制模式）。可編程序控制器（PLC）選擇：此方案，選用了三菱FX2N系列的PLC，PLC按控制程序、輸入控 制信號(hào)來完成起重機(jī)各種工況的協(xié)調(diào)，并決定起重機(jī)的各種工作狀態(tài)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用PLC梯形圖語言來編程完成，用PLC控制工作可靠， 掃描速度快，控制非常靈活?？刂齐娐罚涸诳刂齐娐贩矫?，采取如下方式：打開控制手柄開關(guān)，主接觸器得 電，被控設(shè)備包括PLC及所有三個(gè)變頻器，這時(shí)按下控制手柄啟動(dòng)鍵， PLC運(yùn)行，天車投入工作，按下控制手柄停止鍵，PLC斷電，天車停止 運(yùn)行，在天車控制方面，實(shí)行點(diǎn)動(dòng)控制，主鉤電動(dòng)機(jī)和電磁鐵線圈互鎖。

13、 控制手柄與PLC接線圖X0啟動(dòng)Y0Y1Y2主鉤電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)低速主鉤電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)中速主鉤電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)高速起升低速起升中速起升高速X1停止Y3主鉤電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)低速下放低速Y4主鉤電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)中速下放中速Y5主鉤電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)高速下放高速Y6大車電動(dòng)機(jī)1正轉(zhuǎn)大車電動(dòng)機(jī)2反轉(zhuǎn)大車前進(jìn)Y7大車電動(dòng)機(jī)1反轉(zhuǎn)大車電動(dòng)機(jī)2正轉(zhuǎn)大車后退Y8小車電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)小車向左Y9小車電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)小車向右PLC與變頻器接線圖服Y0、Y1、Y2主鉤變頻器STR正轉(zhuǎn)Y3、Y4、Y5主鉤變頻器STF反轉(zhuǎn)Y6大車變頻器STR正轉(zhuǎn)Y7大車變頻器STF反轉(zhuǎn)Y8小車變頻器STR正轉(zhuǎn)Y9小車變頻器STF反轉(zhuǎn)四、效果針對(duì)原控制系統(tǒng)中的不足，經(jīng)過改造后的變頻調(diào)

14、速控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能強(qiáng)使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行，可以進(jìn)行電機(jī)的軟啟動(dòng)，而讓電機(jī)具 有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；對(duì)電源的缺相、欠壓、過壓、過 流等都能做到很及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)而自動(dòng)采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)；工作可靠性顯著提高，主要有以下幾個(gè)方面:電磁鐵的壽命可大大延長原拖動(dòng)系統(tǒng)是在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行抱 閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨 損情況大為改善；控制系統(tǒng)的故障率大為下降原系統(tǒng)是由于十分復(fù)雜的接觸器、 繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，控 制系統(tǒng)大大簡化，可靠性大為提高；停電減速功能可以在意外停電時(shí)使天車減速停止，消除了突然 停車所帶來的隱患。節(jié)能效果十分可觀 繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路 的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，非但外接電阻內(nèi) 消耗的大量電能可以完全節(jié)約，并且在起重機(jī)放下重物時(shí)，還可將重物 釋放的位能反饋給電源。這樣，每小時(shí)節(jié)省的電費(fèi)相當(dāng)可觀。調(diào)速質(zhì)量明顯提高 采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速平穩(wěn)，能夠長 時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率?？珊喕瘋鲃?dòng)鏈由于可以進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，從而在機(jī)械上省去了非 標(biāo)設(shè)計(jì)的減速箱，使傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化。五、結(jié)束語通過對(duì)本公司天車控制系統(tǒng)的改造，解決了其設(shè)計(jì)中存在的安全隱 患，為