1 概述

橋式起重機(jī)是工礦企業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的一種起重機(jī)械，我廠輸煤系統(tǒng)現(xiàn)有多臺橋式起重機(jī)，工作量大，使用頻繁。橋式起重機(jī)電力拖動系統(tǒng)多采用繞線式交流異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入多段外接電阻調(diào)速，采用凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。這種控制系統(tǒng)主要缺點是:

1)大車、小車、吊鉤升降、開閉拖動運(yùn)行系統(tǒng)采用變阻調(diào)速，運(yùn)行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質(zhì)，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生，又制成柵狀，高溫時易彎曲變形造成短路事故。

2)電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速屬能耗型轉(zhuǎn)差調(diào)速，能耗大，機(jī)械特性軟，調(diào)速范圍小，平滑性差。

3)由于現(xiàn)場環(huán)境中粉塵、有害氣體對電動機(jī)集電環(huán)、繼電器的腐蝕，再加上繼電器、接觸器控制系統(tǒng)切換頻繁，起動時，沖擊電流大，因此觸頭燒損、電刷冒火、電動機(jī)燒損故障時有發(fā)生，故障率高。

4)調(diào)速平滑性差，對減速機(jī)、連軸器、鋼絲繩的機(jī)械沖擊大，影響使用壽命。

5)系統(tǒng)抱閘是在運(yùn)動狀態(tài)下進(jìn)行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴(yán)重。

隨著電力電子技術(shù)的飛快發(fā)展和軟件技術(shù)的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機(jī)上應(yīng)用PLC和變頻調(diào)速技術(shù)，可實現(xiàn)橋式起重機(jī)的抓斗的升降、開閉，小車和大車機(jī)構(gòu)的無級調(diào)速，從而極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和精確性。

2 變頻調(diào)速改造方案

對擔(dān)負(fù)我廠9臺鍋爐和6臺造氣爐原料煤上料工作的3#吊車(10 t 橋式起重機(jī))的大、小車電力拖動系統(tǒng)，吊鉤升降、開閉電力拖動系統(tǒng)進(jìn)行變頻調(diào)速技術(shù)改造，以改善其操作性能、降低故障率。橋式起重機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

2.1 變頻調(diào)速改造方案設(shè)計

10 t橋式起重機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)為：大車電動機(jī)2 臺，額定功率2×11 kW;小車電動機(jī)1 臺，額定功率15 kW;提升電動機(jī)1臺，額定功率37 kW;開閉電動機(jī)1臺，額定功率37 kW。改造的具體設(shè)計方案是:

1)電動機(jī)采用原有的，即大車的鼠籠式異步電動機(jī)，其他的繞線式異步電動機(jī)保持不變。

2)用4 臺變頻器來控制5 臺電機(jī)，實現(xiàn)重載啟動與變頻調(diào)速，主電路電氣原理框圖如圖1所示。

3)電氣控制系統(tǒng)中原各電氣控制柜和繼電器、接觸器一律取消，更換為新電氣控制柜，變頻器采用的是日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B 系列起重專用變頻器。

4)調(diào)速方式采用具有矢量控制功能的變頻調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速分擋調(diào)節(jié)。

5)制動方式采用再生制動、直流制動和電磁機(jī)械制動相結(jié)合的方式。運(yùn)行(重物下降)時，采取在變頻器直流回路內(nèi)接入制動電阻的方式消耗掉再生的電能，把運(yùn)行的大、小車和吊鉤迅速而準(zhǔn)確地停止住(速降為0)。吊鉤作業(yè)時，常常有將重物在半空中停留一段時間的現(xiàn)象(如重物在空中平移或突然停電時)，變頻調(diào)速系統(tǒng)雖然能使重物停住，但因容易受到外界因素的干擾(如平移時常出現(xiàn)斷電)，可靠性差。因此，還必須同時采取電磁制動器進(jìn)行機(jī)械制動以配合可靠完成作業(yè)。

2.2 電氣工作原理

1)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動系統(tǒng)各有一臺電機(jī)，由于吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)拖動系統(tǒng)電機(jī)同時工作，因此兩套機(jī)構(gòu)不能共用一套變頻器。在司機(jī)操作室聯(lián)動臺上分別設(shè)有吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)主令控制器Ks、Kf。系統(tǒng)的控制指令，由司機(jī)室聯(lián)動臺主令控制器Ks、Kf 給出，經(jīng)PLC 運(yùn)算后給出控制變頻指令：上升、下降、打開、關(guān)閉、加速、減速。吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)制動打開由變頻器輸出繼電器經(jīng)PLC 邏輯運(yùn)算后驅(qū)動制動器控制接觸器Cs、Cf，使制動器動作。

變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護(hù)功能和故障自診斷及顯示報警功能。當(dāng)變頻器出現(xiàn)短路、過流等故障時，變頻器給出故障信號輸入PLC，并停止輸出，PLC接到故障信號后，切斷變頻器電源，控制制動器抱閘，并發(fā)出報警信號。

吊鉤升降、開閉機(jī)構(gòu)除了變頻器內(nèi)部有保護(hù)功能外，還設(shè)置了線路保護(hù)：

(1)零位保護(hù)，由主令控制器零位觸點實現(xiàn)此功能;

(2)限位保護(hù)，由高度限制器實現(xiàn);

(3)線路設(shè)有低壓斷路器作為短路保護(hù)。

2)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由一臺變頻電機(jī)驅(qū)動，采用1 臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與起升機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

3)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣拖動系統(tǒng)大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)由兩臺變頻電機(jī)驅(qū)動，采用1臺變頻器控制，系統(tǒng)控制方法與小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電氣傳動系統(tǒng)類似。

3 變頻器與PLC的選擇

3.1 變頻器的選擇

變頻器采用日本安川CIMR-G7A、CIMR-G7B、CIMR-F7B系列起重專用變頻器。

3.1.1 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。

平移機(jī)構(gòu)慣量較大，負(fù)載變化相對小，屬于阻力性負(fù)載，故大車、小車選用U/f 開環(huán)控制方式的安川CIMR-F7B4045 型變頻器;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，故抓斗升降、開閉機(jī)械分別選用安川CIMR-G7B4055、安川CIMR-G7A4055 型變頻器，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。

3.1.2 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)與通用鼠籠異步電動機(jī)相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調(diào)速時應(yīng)考慮紋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，以及安全勞動部門對起重機(jī)1.25倍額定靜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。大車、小車運(yùn)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>2 min時，變頻器功率選擇應(yīng)放大些，以此來選擇大車、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)電動機(jī)的變頻器容量。

3.1.3 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。廠商已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、升降、開閉制動單元均選用日本安川CDBR-4045 型與變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大車、小車、升降、開閉制動電阻均選用上海永前ZX25Y2-4045/2H型制動電阻器。

3.2 PLC的選擇

本系統(tǒng)中選用日本歐姆龍CPM2AE-60CDR-A型PLC 來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的邏輯控制，接線簡化，電源功率損耗減少。設(shè)置回路故障診斷功能和有效的電氣保護(hù)功能使系統(tǒng)具有一定的智能性和更高的可靠性。橋式起重機(jī)PLC 邏輯控制梯形圖如圖2所示。其主要功能如下：

1)變頻器運(yùn)行、停止控制;

2)控制制動器，保證電動機(jī)停止時能夠及時制動，既不提前，也不延后;

3)升降變頻器控制方式切換;

4)電氣閉鎖保護(hù)控制;

5)升降、開閉變頻器中任意一臺變頻器報警故障時，兩臺變頻器均能夠立即停止輸出，并同時制動;

6)任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運(yùn)行，制動器制動。