0 引言
橋式起重機是工礦企業(yè)一種常用的工業(yè)設(shè)備。傳統(tǒng)橋式起重機的電力拖動系統(tǒng)采用交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動和調(diào)速，繼電器-接觸器控制。這種控制系統(tǒng)可靠性差，操作復(fù)雜，故障率高。轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，起動電流大、機械特性軟。負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速也變化，調(diào)速不理想。且所串電阻長期發(fā)熱，電能浪費大，電阻燒損和斷裂故障時有發(fā)生。某重型機器有限公司的125 t/15 t雙梁橋式起重機拖動系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，轉(zhuǎn)子串電阻的方法進(jìn)行起動和調(diào)速，繼電器-接觸器控制。該控制系統(tǒng)已不能適應(yīng)快速、安全、高效的生產(chǎn)和工作需要?，F(xiàn)采用PLC控制的變頻調(diào)速技術(shù)對其拖動及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。
1 原拖動系統(tǒng)基本情況
橋式起重機電氣拖動有大車電機2臺，小車、主鉤、副鉤電機各1臺。電動機為交流繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動和調(diào)速。調(diào)速方法為電動機轉(zhuǎn)子回路串入5段外接電阻R1 ～R5。由接觸器KM1 ～KM4 的狀態(tài)來決定串入電阻的多少，從而調(diào)整電機的運行速度。原電路圖見圖1。制動方式為電磁機械制動。
圖1 原拖動系統(tǒng)主電路圖
2 變頻調(diào)速改造基本思路
橋式起重機拖動系統(tǒng)由三個基本獨立的機構(gòu)組成：大車拖動系統(tǒng)、小車拖動系統(tǒng)、主副鉤拖動系統(tǒng)。用新型的交流變頻調(diào)速技術(shù)取代電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻的調(diào)速方式。橋式起重機大車、小車、主鉤、副鉤電動機都需要獨立運行，整個系統(tǒng)有5臺電動機。大車兩臺電動機共用1臺變頻器控制。主鉤、副鉤、小車電動機分別由3臺變頻器單獨控制。用PLC代替原來的繼電器-接觸器控制方式，完成系統(tǒng)邏輯控制部分的控制。電動機的正、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等控制信號進(jìn)入PLC，經(jīng)處理后向變頻器發(fā)出起停、調(diào)速等信號，控制電動機工作。改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。
圖2 改造后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1 大車拖動系統(tǒng)
大車為雙梁結(jié)構(gòu)，分別為兩臺715 kW電機，拖動整臺起重機順著車間做“橫向”運動。運行速度24/4m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：6。
拖動方案：采用普通的籠型異步電動機代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。大車為兩臺715 kW電動機同時拖動，所以共用一臺較大功率的變頻器作為控制。采用U/f開環(huán)控制方式，變頻器的容量PN應(yīng)為一臺電動機容量PMN的兩倍以上。
PN≥2PMN
2.2 小車拖動系統(tǒng)
小車由單臺電動機拖動，電機功率為715 kW。小車拖動吊鉤及重物順著橋架做“縱向”運動。速度11.5/3/ m/min可調(diào)。調(diào)速比為1：4。
拖動方案：也采用普通的籠型異步電動機，配容量等相同的變頻器，采用U/f開環(huán)控制方式。
2.3 主鉤和副鉤拖動系統(tǒng)
主鉤和副鉤分別用一臺電動機單獨拖動。主鉤和副鉤拖動重物做吊起或放下的“上下”運動。主鉤電機45 kW起重125 t，運行速度1.8/0.18/ m/min可調(diào)，調(diào)速比為1∶10。副鉤電機22kW起重15 t，運行速度為7.5/0.75/ m/min可調(diào)，調(diào)速比1：10。
拖動方案：主鉤和副鉤用電動機要求較高，屬于位能變動性負(fù)載，系統(tǒng)要具有良好的動態(tài)性能。故此電動機必需更換成更具有優(yōu)越性、高性能的變頻專用電動機來代替原繞線轉(zhuǎn)子異步電動機。電動機在選擇時比原功率適當(dāng)提高，以獲得足夠的力矩值。兩臺電動機分別配置變頻器，并裝有光電編碼器，采用帶PG卡速度反饋的閉環(huán)矢量控制方式。變頻后轉(zhuǎn)速可以分檔控制，采用5段速度運行，從低到高自由切換。
2.4 電機制動方式
采取由變頻器外接的制動單元和制動電阻消耗掉的方式。改造中保留原電磁機械制動方式。采取再生制動、直流制動和電磁機械制動相結(jié)合的辦法。由變頻調(diào)速系統(tǒng)的再生制動和直流制動把運動中的大車、小車和主副鉤的速度迅速而準(zhǔn)確地降到零，使它們停止。對于起重機，常常會有重物在半空中停留一段時間(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，仍然必須利用電磁制動器進(jìn)行機械制動。
3 變頻器的選用
適用于起重機使用的變頻器有好多種。我們選用日本安川公司的VS- 616G5系列變頻器。此變頻器具有全磁通矢量控制，在低頻下也能提供150%額定轉(zhuǎn)矩的起動轉(zhuǎn)矩。有速度反饋環(huán)節(jié)，可作到零速控制(即使在零速下也有150%額定轉(zhuǎn)矩輸出)。該變頻器可以通過設(shè)定參數(shù)的存取級別來選擇其控制方式。通常有4種方式可選：無PGU/f開環(huán)控制方式、有PGU/f閉環(huán)控制方式、無PG開環(huán)矢量控制方式、有PG閉環(huán)矢量控制方式。大車、小車拖動機構(gòu)由于其慣量較大， 負(fù)載變化相對較小， 基本上屬于阻力性負(fù)載， 故采用無PGU/f開環(huán)控制方式，不帶光電編碼器。主、幅鉤提升機構(gòu)由于負(fù)載變化較大，為了獲得快速的動態(tài)響應(yīng)，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)矩的快速調(diào)節(jié)。電機安裝有光電編碼器，采用有PG- B2速度控制卡閉環(huán)矢量控制方式，以獲得穩(wěn)定的工作狀態(tài)和良好的機械特性。關(guān)于溜鉤的防止：本系統(tǒng)中由于VS- 616G5變頻器具有的零速下的轉(zhuǎn)矩功能，故只需通過PLC和變頻器的適當(dāng)配合即可圓滿解決溜鉤問題。
橋式起重機的速度調(diào)節(jié)可利用變頻器的多級頻率選擇功能。VS- 616G5，可使用8個頻率指令和1個點動頻率指令，由此，最高可9段速。為了切換這些頻率指令，可在多功能輸入，設(shè)定多段速指令1～3和點動頻率來選擇。將端子1接通則電機正轉(zhuǎn)，端子2接通則反轉(zhuǎn)，將多段速指令1、2、3三對端子分別接通，或其中兩對或三對同時接通，可得8種頻率，從而可方便地得到起重機所要求的正反兩個方向各5種速度。電機加減速的時間可以通過變頻器的設(shè)定來進(jìn)行改變。
主鉤電機變頻器接線控制原理圖見圖3。
圖3 主鉤電機變頻器接線控制原理圖
變頻器的選用通常應(yīng)根據(jù)異步電動機的額定電流來選擇，或者根據(jù)異步電動機實際運行中的電流值(最大值)來選擇。通常應(yīng)滿足下式要求：
I1nv≥(1.05～1.10) In 或(1.05～1.10) Imax
式中： I1nv-變頻器額定輸出電流(A)；
In-電動機的額定電流(A)；
Imax-電動機實際最大電流(A)；
(1.05～1.1) -電流波形修正系數(shù)。
我們選用的變頻器都配有外接的制動單元和制動電阻。起重機放下重物時，由于重力加速度的原因電動機將處于再生制動狀態(tài)，拖動系統(tǒng)的動能要反饋到變頻器直流電路中使直流電壓不斷上升。因此，必須將再生到直流電路里的能量消耗掉，使直流電壓保持在允許范圍內(nèi)。制動電阻就是用來消耗這部分能量的。制動單元在選擇時應(yīng)加大一個檔次，以便允許有較大的制動電流縮短制動過程。制動電阻的額定功率在選擇時也應(yīng)加大一倍。
4 PLC的選用
根據(jù)改造后橋式起重機控制系統(tǒng)的現(xiàn)場輸入，輸出信號的數(shù)量及作用，結(jié)合改造要求及應(yīng)用習(xí)慣選擇PLC型號規(guī)格。PLC我們選用西門子公司的S7- 300系列。S7- 300由多種模塊以不同的方式組合在一起(主要由電源模塊、CPU模塊、I/O模塊等組成)，從而使控制系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，可以滿足不同的應(yīng)用需要。
我們選CPU3141塊，數(shù)字量輸入模塊SM321： DI32×24VDC2塊、DI16 ×24VDC1塊，數(shù)字量輸出模塊SM322：DO16×24VDC3塊組成系統(tǒng)。橋式起重機拖動系統(tǒng)的控制動作包括：大車的左、右行及速度換檔；小車的前、后行及速度換檔；主、副鉤的升、降及速度換檔等。保護(hù)功能有：主、副鉤上升限位、下降限位，大車限位、小車限位，主副鉤及大小車電機的保護(hù)等。這些都可通過PLC進(jìn)行無觸點控制。
改造后的整個系統(tǒng)有五臺電動機、四臺變頻器，PLC的輸入輸出點數(shù)較多，各變頻器與PLC的連接情況類似。在此僅說明主鉤電機變頻器和PLC的連接情況。主鉤電機變頻器接線控制原理圖見圖3。主鉤PLC接線控制原理圖見圖4。
圖4 主鉤PLC接線控制原理圖
5 結(jié)束語
采用變頻器及PLC對橋式起重機進(jìn)行了改造。起重機控制系統(tǒng)由于省去了切換轉(zhuǎn)子電阻的交流接觸器、串聯(lián)電阻等電氣元件，電氣控制線路大為簡化。起重機啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，減少了負(fù)載波動，安全性大幅提高。采用PLC代替原來復(fù)雜的接觸器、繼電器控制系統(tǒng)，電路實現(xiàn)了無觸點化，故障率大大降低。采用變頻調(diào)速，機械特性硬，負(fù)載變化時各檔速度基本不變。輕載時也不會因操作不當(dāng)而出現(xiàn)失控現(xiàn)象。變頻器還可根據(jù)現(xiàn)場情況，很方便地調(diào)整各檔速度和加減速時間，使吊車操作更加靈活迅速。采用變頻調(diào)速同時也實現(xiàn)了電機的軟起動， 避免了機械受大力矩沖擊的損傷和破壞， 減少了機械維護(hù)及檢修費用，提高了設(shè)備的運行效率。實踐證明本次改造是成功的。
