摘要:本文介紹了橋式起重機的基本機構，針對橋式起重機的變頻調速進行分析，并利用變頻調速技術與PLC控制相結合在橋式起重機中進行設計、安裝、調試及研究。

關鍵詞:變頻調速變頻器橋式起重機

XuWei-Feng

(Zhejiangqilongcranesco.,Ltd,Shaoxing312043,ZhejiangProvince,China)

Abstract:Thispaperintroducesthebasicmechanismofoverheadcrane,andanalyzesthefrequencytransformerofvelocitymodulationofoverheadcrane.Italsodescribeshowtodesign,install,debugandresearchtheoverheadcranebyemployingthefrequencytransformerofvelocitymodulationandPLC.

Keywords:FrequencytransformerofvelocitymodulationInverterOverheadcrane

引言

隨著科學技術的發展和創新，變頻調速技術已被廣泛應用于工業生產中，其中應用于起重機械行業更為突出。這是因為變頻調速技術具有效率高、調速范圍寬、調速精度高、起動/制動平穩且沖擊小、可實現無極調速及節約電能等優點。而到目前為止，國內大部分橋式起重機仍然使用傳統的繞線式電動機轉子串電阻調速方式，實現對起重機上各機構起停及運行速度的控制；但該傳統調速方式只能進行有級調速，起動/制動沖擊電流大，存在大量的轉差功率消耗于轉子串接的電阻上，致使電機的機械特性很軟，調速精度差、范圍小，并且對電動機的電刷、滑環及制動器有比較大的沖擊，維修率較高。所以，為滿足生產需要，提高設備的效益，降低維修率，節約電能等方面考慮，現利用變頻調速技術與PLC控制相結合對橋式起重機中進行設計、安裝、調試及研究。

一、橋式起重機的簡述

橋式起重機是目前在工礦企業中應用十分廣泛的一種起重搬運吊裝設備。其一般分為三個基本

機構：用于提升重物的起升機構、用于移動重物的橫向移動機構（即橋式起重機的小車運行機構）和用于移動重物的縱向移動機構（即橋式起重機的大車運行機構），如圖1橋式起重機結構圖。

圖1橋式起重機結構圖

其中橋式起重機的起升機構是通過控制三相異步電動機的正反轉，經過聯軸器和減速器帶動繞有鋼絲繩的卷筒，使吊鉤升或降。而橋式起重機的兩個移動機構，也分別是通過控制三相異步電動機的正反轉，經過聯軸器和減速器帶動車輪轉動。

二、橋式起重機變頻調速的概述

橋式起重機變頻調速的工作原理：在異步電動機的極對數p和轉差率s一定的情況下，只改變異步電動機的供電電源頻率f，就可以實現對異步電動機的調速。但當供電電源頻率f小于電動機的額定工作頻率內變化時，因端電壓U≈（式中：E1－感應電動勢、f－供電電源頻率、w—串聯匝數、k—繞組系數、φ－電機的磁通），只有維持U/f為常數，才能保證電機的磁通φ不變，保證電動機的性能不變。而當供電電源頻率f大于電動機的額定工作頻率時，電動機轉速超過額定轉速，若仍維持U/f為常數，端電壓U將超過電動機額定電壓，這是不允許的，因此，在實現額定轉速以上的調速時，應保持電源電壓不變并為額定值，僅使供電電源頻率f增加，電動機磁通φ將減少，輸出轉矩也將隨之下降，而輸出功率近似恒定。

橋式起重機變頻調速方式一般采用U/f控制方式、矢量控制方式及直接轉矩控制方式。其中起重機的起升機構一般采用閉環的矢量控制方式或閉環的直接轉矩控制方式；而移動機構一般開環的U/f控制方式或開環的矢量控制方式。

橋式起重機變頻調速一般分起升機構變頻調速和移動機構變頻調速，其主要由機構中的變頻電機、變頻器、控制器件及線路保護開關等組成。但為了防止變頻器對外界的干擾和對自身的保護、以及提高電機控制的精度，一般在變頻器周圍配有AC/DC電抗器、制動單元及制動電阻、濾波器及傳輸卡件等。而其中，根據橋式起重機機構用途的不同，在起升機構所用的變頻電機內都配備有光電旋轉編碼器，提高調速精度和響應速度。同時控制器件采用PLC與繼電器相結合，取代過去采用交流接觸器控制，使控制系統可靠性高、應用靈活、線路簡單、易于使用及故障率低等。

三、橋式起重機的變頻調速設計

1、橋式起重機變頻調速的硬件選擇

（1）變頻電機的選擇

a、起升機構變頻電機應滿足：

（式中：P－電機容量（kw）；G－額定重量（kg），應考慮125%的過載能力；v－額定線速度（m/min）；η－機械效率）。

b、移動機構變頻電機應滿足：

（式中：P－電機容量（kw）；u—移動阻力（kg）；V—額定速度（m/min）；η—機械效率）。在室外的情況下，移動阻力中還須包括風阻和由于移動路徑的傾斜度（水平度）而加大的阻力等。

（2）變頻器的選擇

在選擇橋式起重機各機構變頻器的容量時，通常用變頻器的輸出電流作為選擇條件。變頻器的銘牌輸出電流I1應滿足以下條件：且（式中：Ie－電動機額定電流；I0－電動機最大工作電流，為靜載電流和動載電流之和；K0－安全系數，重復短時工作制一般場合取1～1.1；K1－最大負載系數，即所需最大轉距與電動機額定轉距之比；K2－余量系數，一般取1.2；K3－變頻器過載能力系數，見產品手冊。）

（3）制動電阻及制動單元的選擇

制動電阻阻值的計算基準：變頻電機再生電能必須被制動電阻完全吸收，即滿足R＝V²/Pe×Kc

；而制動單元按制動電流選擇，即滿足

(式中：R-制動電阻等效電阻值；V－制動單元直流工作點電壓，一般取700V；Pe－電機額定功率；Kc－制動頻度，在橋式起重機中取0.2～0.4；K－回饋時的機械能轉換效率，一般取0.7)。

（4）可編程控制器（PLC）的選擇

在橋式起重機中，由于各機構的控制檔位一般為5檔，那么每個機構所需的PLC總點數一般在19～20個點。對一臺三個機構的橋式起重機一般所需的總點數在60個左右。

（5）其它電氣元器件按有關標準進行選擇，在此不作詳細說明。

2、橋式起重機變頻調速的電氣圖設計

現以安川變頻器為例，主要說明橋式起重機變頻調速部分的電氣圖設計。橋式起重機起升機構變頻調速的電氣原理圖如圖2所示。起升機構變頻電機內配有旋轉編碼器，與安裝在變頻器內的速度卡連接，構成速度閉環控制。變頻器上的S1～S7、SC、MA、MB、M1、M2等控制點和控制電機風扇運行接觸器K7及制動器動作接觸器K8的線圈控制線路分別與所選PLC的輸入、輸出及電源點連接，通過PLC內部程序的運行，實現對起升機構變頻調速閉環控制。在變頻器電源輸入端子（R、S、T）和電源之間，配有漏電斷路器Q1和AC電抗器。其中漏電斷路器Q1的容量為變頻器額定電流的1.8倍，感應電流在30mA以上,可以檢出對人體有危險的高頻漏電流，防止事故的發生；而其AC電抗器和變頻器內的DC電抗器可有效改善電源側的功率因數，降低對外界的干擾。

圖2起升機構變頻調速的電氣原理圖

橋式起重機移動機構變頻調速的電氣原理如圖3所示。移動機構變頻調速為開環控制，無需配旋轉編碼器及速度卡。其它線路設計與起升機構類似。

圖3移動機構變頻調速的電氣原理圖

3、橋式起重機變頻調速的程序設計

橋式起重機變頻調速的程序設計其實就是對所選PLC內的程序設計。PLC的程序設計一般采用梯形圖或指令表兩種方式進行程序設計。橋式起重機變頻調速的PLC程序分兩部分：運行控制程序和通信接口程序。一般橋式起重機變頻調速主要的程序是運行控制程序，而對于通信接口程序只有在PLC配有觸摸屏時才會涉及到。橋式起重機每個機構的運行控制程序基本由電氣保護、檔位控制、制動器及電機風扇運行程序段組成。其中檔位控制就是橋式起重機司機室內聯動控制臺的檔位變化，通過PLC內的程序運行，控制變頻器的多段速指令變化，而使變頻器輸出頻率隨檔位變化而按預設好的頻率發生變化。

四、橋式起重機變頻調速的安裝調試

橋式起重機變頻調速控制柜在柜內安裝時，變頻器上下離柜體或其它元件的距離應在120mm以上，左右離柜體或其它元件的距離應在30mm以上，而且變頻器和PLC最好不要在同一個柜內，避免相互間的影響。變頻器和PLC的控制回路接線應采用屏蔽電纜，盡可能與動力線分離走線。變頻器及PLC的接地采用C種接地，與電焊機、動力設備等接地分離，其接線應盡可能短。

橋式起重機變頻調速的調試一般有以下幾步：（1）調試前對所有設備、線路接線進行檢查，測量電氣線路在運輸安裝過程的損傷情況，以及電網供電是否存在缺相現象；（2）將預先設計好的程序輸入到PLC內，這步也可在柜體制作過程中進行；（3）對變頻器上電檢查后，通過變頻器上的控制屏對電機進行點動操作，看其旋轉方向是否正確；然后選擇適合電機的自學習方式，對電機進行自學習。若選擇了旋轉型自學習，就必須將負載脫離，并確保電機可安全旋轉；（4）設置所選控制模式對應的參數及其它相應參數（其具體設置參見各自所選的變頻器使用手冊），并確定所有設備通電均無異常后，進行橋式起重機空載調試。（5）空載調試好后，帶上額定負載進行滿負載調試。在滿負載調試時，適當改變變頻器的加減速時間參數值，使加減速時間調整達到最佳值。若起升機構滿負載運行時，出現明顯的溜鉤想象，就需要調整變頻器內的制動參數。

五、結束語

橋式起重機采用變頻調速后，經過實際應用，運行效果良好，性能穩定可靠，故障維修率明顯減少，達到了用戶的預期目標，為用戶創造了極大的經濟效益，受到了許多用戶的好評。

參考文獻

1、通用橋式起重機國家標準GB/T14405－93；

2、起重機設計手冊中國鐵道出版社1998.3；

3、安川變頻器使用手冊；

4、起重機設計規范GBT3811-2008。