1 方案概述
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，我廠高爐車間16/3.2噸橋式起重機(jī)，使用頻繁，環(huán)境惡劣，高溫、金屬粉塵過多。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、吊鉤主升降、付起升；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，電纜燃燒和損壞。
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)境中的金屬粉塵、有害氣體對電動機(jī)集電環(huán)、繼電器的腐蝕與短路，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)重而引起的安全隱患。
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)用變頻調(diào)速技術(shù)，可實現(xiàn)橋式起重機(jī)的升降，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（16/3.2t 橋式起重機(jī)）的大、小車電力拖動系統(tǒng)，吊鉤升降、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、降低故障率能耗率。橋式起重機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)工作原理如下。
2.1 變頻調(diào)速改造方案設(shè)計
16/3.2噸橋式起重機(jī)的電氣傳動系統(tǒng)為：大車電動機(jī)2 臺，額定功率2×7.5 kW；小車電動機(jī)1 臺，額定功率4 KW ；主起升電動機(jī)1臺，額定功率37kW；付起升電動機(jī)1臺，額定功率15KW；改造的具體設(shè)計方案是:
1）電動機(jī)采用原有的，即大車的繞線式異步電動機(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， 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，控制柜采用封閉式另加散熱風(fēng)扇、空氣過濾器，是用來防護(hù)粉塵對電氣元件的危害。變頻器采用的是日本安川CIMR-HB4A(H1000)、CIMR-HB4AH1000 MR-AB4A(A1000)、CIMR-AB4A(A1000)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)速采用起重機(jī)專用
電位器調(diào)速控制器控制。
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)。
6、由于繞線式異步電動機(jī)散熱風(fēng)扇是一體的，在低頻率速運(yùn)轉(zhuǎn)時達(dá)不到散熱效果，所以要在每臺電動機(jī)上加一臺單控制的微型軸流風(fēng)機(jī)，完善地達(dá)到散熱效果。避免電動機(jī)長時間低轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的高溫現(xiàn)象。
2.2 電氣工作原理
1）系統(tǒng)的控制指令，由司機(jī)室聯(lián)動臺專用主令電位控制器Ks、給出，控制變頻指令：上升、下降、加速、減速，平滑調(diào)速。吊鉤升降、機(jī)構(gòu)制動打開由變頻器輸出繼電器驅(qū)動制動器控制接觸器Cs、使制動器、微型軸流風(fēng)機(jī)動作。
2 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，并停止輸出，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、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)。
1）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。
2）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。
3.1 變頻器的選擇
變頻器采用日本安川H1000、A1000、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A1000 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，主付升降選用安川H1000、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)與通用或其它異步電動機(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、主付升、降，制動單元均選用日本安川H1000 型與A1000型變頻器容量相配套的標(biāo)準(zhǔn)外接制動單元。大車、小車、主付升、降、制動電阻均選用國產(chǎn)、變頻器專用制動電阻器。
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）任何時刻斷電，系統(tǒng)將會立即停止運(yùn)行，制動器制動。
4 系統(tǒng)控制要點
橋式起重機(jī)拖動系統(tǒng)的控制包括：大車的左、右行及速度擋；小車的前、后行及速度擋；吊鉤的主、付，升、降，及調(diào)速等，這些都可以通過變頻器進(jìn)行無觸點控制。橋式起重機(jī)控制系統(tǒng)中需要引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發(fā)生重物由于停止?fàn)顟B(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。在這個問題上，主要用變頻器運(yùn)行參數(shù)設(shè)置與變頻器的制動單元、制動電阻和液壓制動器的配合而達(dá)到完美的效果。
4.2 起吊重物升降控制要點
4.3 自動轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置
自動轉(zhuǎn)矩提升設(shè)置，在調(diào)試過程中適當(dāng)?shù)靥岣咧蓄l電壓可以改善低頻特性，從而提高啟動轉(zhuǎn)矩；提高零頻電壓可以加大直流強(qiáng)勵磁，使電機(jī)保持足夠大的轉(zhuǎn)矩防止溜鉤。
吊車使用完畢后，應(yīng)將主令控制器放置零位，30 s后按下停止按鈕，斷開主電源，關(guān)閉風(fēng)機(jī)及照明電源開關(guān)，確認(rèn)斷電后，鎖好操作室門方可離開。
5 變頻器功能參數(shù)的設(shè)置
橋式起重機(jī)各傳動機(jī)構(gòu)改造采用的日本安川H1000和A1000系列變頻器的功能參數(shù)設(shè)置。
6 改造后的應(yīng)用效果；改造效果主要表現(xiàn)為：
1）橋式起重機(jī)的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩(wěn)快速，定位更加準(zhǔn)確，減少了負(fù)載波動，安全性大幅提高。
2）系統(tǒng)運(yùn)行的開關(guān)器件實現(xiàn)了無觸點化，具有半永久性的壽命。
3）由于電動機(jī)啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機(jī)熱耗減少，壽命延長。
4）電磁制動器在低速時動作,其閘皮的磨損很小，使用壽命延長。
5）降低了對電網(wǎng)的沖擊。
6）節(jié)約能源，變頻調(diào)速的啟動、制動、加速、減速等過程中，電機(jī)運(yùn)行電流小。以本案來講，節(jié)能可達(dá)30%左右。在生產(chǎn)工況相同的情況下電耗和維修費(fèi)用比改制前節(jié)能20%左右。
通過技術(shù)改造，不僅提高了橋式起重設(shè)備安全運(yùn)行時間，也使工作勞動維修強(qiáng)度維修成本大幅降低，因此，變頻調(diào)速技術(shù)在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用是提高工作效益、降低能耗保障工作安全的選擇。