摘要：随着工业自动化的发展，PLC、变频器在设备改造中得到了广泛应用。桥式起重机是工矿企业中应用十分广泛的一种起重机械，针对传统桥式起重机电气拖动系统能耗大、效率低、低速起动力矩小等问题，采用变频技术对桥式起重机电气拖动系统进行改造。改造后的系统运行平稳，定位准确，安全性、可靠性大幅提高。
关键词：桥式起重机；电气调速；系统改造
1前言
起重机调速绝大多数需在运行过程中进行,而且变换次数多,故机械变速一般不太适合,大多数需采用电气调速。随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，变频调速技术以其优异的调速、启动和制动性能、高效率、高可靠性和良好的节电效果在诸多领域得到了广泛应用。因此，为提高桥式起重机运行的安全性和精确性，有必要采用变频器对桥式起重机电力拖动系统进行技术改造。
2桥式起重机变频调速系统的组成
桥式起重机的运行机构由大车的横向运动，小车的纵向运动以及吊钩的升、降运动3个基本独立的拖动系统构成。为保证起吊的重物能按要求准确定位，桥式起重机的5台电动机都需要调速，故各有独立的调速系统，所以主钩、副钩、大车、小车各配备1台变频器进行独立变频调速，并全部由1台PLC加以控制。图1所示为PLC控制桥式起重机变频调速系统的组成框图。
图 1 PLC 控制桥式起重机变频调速系统组成框图
由于起升机构是位能负载，对变频控制系统要求启动转矩大、零速满转矩，抓吊重物离开或接触地面瞬间的负载剧烈变化能平滑控制；在起升、下放和保持的过程中确保重物平稳不下落（溜钩），安全性能要求比较高。因此，为了获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得稳定的工作状态和良好的机械特性，选用矢量控制方式的变频器对桥式起重机的起升机构进行控制。矢量控制的基本原理是模拟直流电动机转矩控制方法，通过矢量的坐标变换将异步电动机的定子电流分解成假想的产生磁场的电流分量（励磁电流）和与磁场相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流）分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即控制定子电流矢量，从而达到控制异步电动机转矩的目的。因此，矢量控制这种面向转矩控制的变频器，调速范围大、过电流抑制能力强、转矩控制性能好，而且变频调速中输出频率是逐渐变化的，可以实现平滑调速，尤其可以控制静止转矩，有利于准确定位，特别适合于桥式起重机的主、副钩电动机的控制要求。根据上述功能要求，主钩、副钩通常选用专门针对起重机械设计的专用变频器。大车、小车是正反转的平移机构，且大车采用1台变频器拖动2台相同型号的异步电动机，因此，变频器可选用U/F控制方式。
3桥式起重机的控制要点
3.1制动方式
当桥式起重机的主钩电动机快速制动或带着位能负载快速下降时，电动机处于发电制动状态，这时电动机转子轴上的机械能将转变为电能。由于通用变频器内部的整流单元为不可控整流，电能无法回馈电网，能量累积在变频器的直流回路中产生泵升电压，将导致变频器过电压跳闸，甚至损坏变频器。为了将能量消耗掉，最简单的控制方法是采用能耗制动。但是，由于桥式起重机中主、副钩电动机起、制动频繁，且长时间带位能负载运行，因此造成能量浪费严重。为了使起重机变频调速问题更加方便和可靠，不少变频器生产厂家专门针对起重机设计专用变频器。日本三菱公司生产的FR-A740系列起重机专用变频器是专门针对起升机构的专用变频器，它采用矢量控制模式，特别装备有专为控制桥式起重机和完成制动调整功能的智能软件，内置能量回馈再生制动单元和交流输入电抗器，不仅可以再生制动，获得较大的制动力矩，而且还可以把直流回路上过多的能量回馈到电网中，具有明显的节能效果，完全满足桥式起重机起升机构的工况要求。
为保证人身和设备安全，桥式起重机采用电气制动和机械制动相结合的方法。在需要减速制动时，通过变频调速系统的再生制动和直流制动，使运行中的大车、小车或吊钩电动机迅速而准确地停止。起升机构中，常常需要重物在空中平移停留一段时间。由于重物有重力，变频调速系统电气制动虽然能使重物停住，但受到外界因素的干扰（如平移时出现断电）时，会出现重物下滑，造成安全事故。因此，电动机轴上还必须同时加装电磁制动器进行可靠的机械制动。为了保证制动器的工作安全可靠，多数制动装置采用常闭式，即线圈断电时制动器依靠弹簧力将电动机轴抱住，线圈通电时松开。
3.2防止溜钩的措施
在桥式起重机的工作要求中，对运行安全可靠要求很高，特别是防止溜钩的控制。由于制动器从抱紧到松开以及从松开到抱紧的动作过程需要时间（约0.6s），而电动机转矩的产生和消失，是在通电或断电瞬间就立刻反映的，因此制动器和电动机之间在动作的配合上极易出现问题。在吊钩提升、下降或在空中停住重物时，要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合，保证制动准确，防止溜钩造成安全事故。
传统的拖动系统为了防止溜钩现象的发生，当重物从停止转为升降运行时，采用电动机和制动电磁铁同时通电的方法，其缺点是电动机通电时，而制动器尚未松开，在制动器尚未松开的过程中，电动机将处于过载状态；当重物从升降运行转为停止时，在电动机断电之前，通过继电控制电路使制动电磁铁提前约0.6s断电待电动机断电时，制动器已经抱紧，其缺点是制动器逐渐抱紧的过程中，电动机也将处于过载状态。对于制动器来说，在开始抱紧和电动机断电期间，闸皮与制动轮之间滑动摩擦，影响闸皮的寿命。
图 2 变频器的启动控制过程
为了保证制动准确平稳，减小抱闸闭合时的磨损，改造后的变频调速系统利用变频器设定频率，实现零速抱闸，有效防止溜钩问题的发生。设定一个“升降起始频率”fSD和“维持时间”tSD。当正转启动信号输入到变频器后，变频器的输出频率开始上升，此时电磁制动机构仍未释放。当变频器工作频率到达设定频率fSD时，变频器将开始检测电流，并设定电流检测所需时间为tSC，以确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩。当变频器确认已经有足够大的输出电流，产生的力矩足以抵消下降力矩时，将向电磁制动机构发出释放要求信号，使制动电磁铁通电释放开始。经过维持时间tSD后，制动电磁铁已经完全松开，变频器接收到制动释放完毕信号，此信号回馈给变频器，电动机开始运转并上升到设定频率fX所对应的转速。上述控制过程如图2所示。可见，在电动机低速启动以前，也就是制动电磁铁打开前，变频器已经输出足够大的电流，使电动机产生一个足够大的力矩拉住重物。当制动电磁铁松开时，这个力矩可以防止启动力矩不足导致重物下滑的危险情形。如果在变频器运行时进行制动，那么将会磨损抱闸机构，大大缩短制动器寿命。如果在电机停转的瞬间才进行制动，则容易出现输出力矩不足引起重物下滑跌落的危险情形。由此可见，由于制动器是在重物已经停住的状态下抱紧或松开的，每次抱紧或松开时，闸皮与制动轮之间都基本没有相对运动，因而磨损甚小，大大延长了制动器的寿命。
4结语
桥式起重机的电力拖动系统采用变频器改造后，桥式起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，不仅节约能源，而且运行安全性和可靠性大幅提高，更好地满足了生产需要。
参考文献：
[1]段苏振交流变频调速技术在门式起重机中的应用［J］电气传动，2005，1.
[2]段苏振交流变频调速的电气制动方式［J］机床电器，2004，3.
论文作者:徐毅,邵增涛,侯珊珊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第21期
论文发表时间:2018/9/10
标签：变频器论文; 电动机论文; 重物论文; 制动器论文; 转矩论文; 桥式起重机论文; 力矩论文; 《基层建设》2018年第21期论文;