1、前言

橋式起重機是工業生產中大量應用的提升設備，隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，傳統的起重機調速方法（主要是繞線異步電動機轉子串電阻調速系統）現場維護量大，調速系統的故障率高，而且調速系統的綜合技術指標差，已不能滿足工業生產的特殊要求。普傳科技開發的基于PI9000矢量控制技術平臺的PI9200C起重專用變頻器在起重行業取得了廣泛應用，提高了生產效率，受到用戶好評。

2、傳統橋式起重機運行情況

橋式起重機是工礦企業中應用十分廣泛的一種起重機械。傳統電力拖動系統主要有起升機構和平移機構，一般采用YZR繞線式交流異步電機轉子回路內串電阻調速，由凸輪控制器、繼電器、接觸器控制。實際運行中存在以下問題：

1）起升機構（吊鉤主升降、副起升）、平移機構（大車、小車）拖動運行系統采用變阻調速，運行性能差，而且電阻元件使用普通康銅材質，性脆易斷裂，故電阻燒損和斷裂故障時有發生。

2）電機轉子串電阻調速屬能耗型轉差調速，能耗大，機械特性軟，調速范圍小，平滑性差。

3）由于現場環境中的金屬粉塵、有害氣體對電動機有侵蝕左右，再加上繼電器、接觸器控制系統切換頻繁，起動時沖擊電流大，因此觸頭燒損、電動機燒損故障時有發生，故障率高。

4）調速平滑性差，對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊大，影響使用壽命。

5）系統抱閘是在運動狀態下進行的，對制動器損害很大，閘皮磨損嚴重而引起的安全隱患。

隨著電力電子技術的飛快發展和軟件技術的成熟，變頻器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在橋式起重機上應用變頻調速技術，可實現橋式起重機的起升機構和平移機構的無級調速，從而極大地提高了系統運行的安全性和精確性。

3、變頻調速改造方案

鑒于傳統起重機存在以上問題，客戶要求對橋式起重機的吊鉤升降電力拖動系統和大、小車電力拖動系統進行技術改造，為克服繞線式電機串電阻調速系統的缺點，采用變頻調速技術改造起重機傳動系統，可以實現全頻率（0～50Hz）范圍內的恒轉矩控制，降低對機械傳動的沖擊，以改善其操作性能、降低故障率和能耗率。

3.1變頻調速系統方案設計

根據現場實際需要、成本、安裝條件等因素，提出2種變頻調速系統方案。

3.1.1：變頻調速電機+矢量變頻器

將起升機構的YZR繞線電機更換為YZP冶金起重專用變頻調速電機。

針對冶金起重機械開發的專用變頻電機將起重機冶金用三相異步電動機的特點與變頻調速的優點集于一體，與變頻裝置組成的系統能夠實現無級調速；達到節能和控制自動化的目的。由于具有效率高、調速范圍廣、精度好、起制動運行穩定，且過載能力大等特點，特別適用于需要變頻調速，短時或斷續周期運行、頻繁起制動的場合。

YZP電機基本技術指標：①符合IEC34-1和GB755標準的要求，安裝尺寸符合IEC72國際標準；②電動機額定電壓為380；V③變頻范圍1～100Hz。1～50Hz為恒轉矩調速，50～100Hz為恒功率調速；④電動機外殼防護等級為IP54以上，絕緣等級為F級，也可以根據用戶要求制成H級；抗機械震動、沖擊,適應頻繁起動、制動,正、反轉；⑤帶專用冷卻風機(起升電機)，能連續低頻運行；⑥電機與矢量控制變頻器具有良好的匹配性，充分發揮矢量控制變頻器的性能。

為了提高低速傳動時的動態特性和高轉矩輸出能力，變頻電機也可以采用帶脈沖編碼器的速度閉環控制。

3.1.2：繞線電機+矢量變頻器

電動機采用原有的繞線電機。

由于繞線轉子異步電動機與通用或其它異步電動機相比，其繞組的阻抗較小，因此使用變頻器調速時應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，繞線轉子異步電動機額定電流往往較大；變頻器輸出為基于PWM幅值頻率可調的正弦波，針對未作特殊處理的YZR電機，在低速由于變頻器輸出特性以及電機磁通狀況，電機輸出力矩存在一定的影響；如果現有YZR電機不進行更換，僅短接滑環后，采用變頻驅動，那么主起升、副起升機構安全可靠運行的起重量不能達到銘牌標定的額定載荷，理論測算可靠運行起重量約為下降5%左右。

此方案優點是設備改造成本低。

3.2電控系統基本方案

1）電氣控制系統：取消原各電氣控制柜和繼電器、接觸器更換為新電氣控制柜，控制柜采用封閉式另加散熱風扇、空氣過濾器，是用來防護粉塵對電氣元件的危害。

2）起升機構：慣量較小，負載變化大，屬于位能性負載；采用矢量變頻器驅動YZP專用電機，一拖一配置。

3）平移機構：平移機構慣量較大，負載變化相對小，屬于阻力性負載。大車采用一臺變頻器驅動2臺電機同步運行，小車采用一拖一配置。

4）控制方式：根據變頻器的控制方式，有V/F控制，開環矢量控制SVC和閉環矢量控制，更高端的是直接轉矩DTC控制，為獲得快速的動態響應，實現對轉矩的快速調節，獲得理想的動態性能，通常采用矢量控制方式。

5）制動方式：采用再生制動、直流制動和電磁機械制動相結合的方式。當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發電狀態。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。對連續再生能量的處理有以下兩種方案。①在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過電阻器以發熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；②采用再生整流器方式，將連續再生能量送回電網，這種方式稱為回饋制動。為安全考慮，還必須同時采取電磁制動器進行機械制動以配合可靠完成作業。

6)防溜鉤控制：橋式起重機控制系統中需要引起注意的是關于防止溜鉤的控制，在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發生重物由于停止狀態下滑而產生溜鉤現象。在這個問題上，主要用變頻器運行參數設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到完美的效果。

矢量控制變頻器的自動轉矩提升和預勵磁功能，使電機保持足夠大的轉矩防止溜鉤。

7）操作方式：改造后的系統不改變原司機操作習慣和方式。平移大車的左、右行及速度擋；小車的前、后行及速度擋都可以采用變頻器的多段速度功能實現。控制地選擇有：本地控制（控制盤）；遠程控制（端子控制和現場總線控制）。

8）保護功能：專用變頻器有短路、過壓、缺相、失壓、過流、超速、接地等各種保護功能和故障自診斷及顯示報警功能。當變頻器出現短路、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，并發出報警信號。

圖1起重機變頻系統改造示意圖

3.3主器件選型

根據以上方案的變頻調速系統主器件有：變頻器、制動單元、制動電阻等

3.3.1起升機構

變頻器的選型主要依據電機的額定電流和最大工作電流及變頻器提供的轉矩，根據一定的過載系數比例確定變頻器的輸出電流，再得出變頻器的容量。

ICN≥kIM

式中k——電流系數（PWM調制方式時取1.5～2.0）

ICN——變頻器額定輸出電流A

IM——工頻電源時的電動機額定電流A

起升機構要求的起動轉矩為1.3—1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6—2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數k=在1.5å’Œ2.0之間。

3.3.2平移機構

起重機的平移機構分大車機構和小車機構，兩種機構一般采用多臺電動機傳動方案。由于起重機平移機構的轉動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率PM應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即：

PM≥Pj+Pa

由于平移機構采用一臺變頻器拖動多臺電動機的開環控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：

ICN≥k*nIM

式中k——電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05～1.1）

ICN——變頻器額定輸出電流A

IM——工頻電源時的電動機額定電流A

n——一臺變頻器拖動的電動機數量

3.3.3制動單元和制動電阻

可采用能量回饋制動或者制動電阻消耗制動。

由于平移機構屬于摩擦負載，其制動單元和制動電阻可按變頻器的標準配置。

4、改造實例

4.1起重機概況

開灤集團某礦16/5噸橋式起重機，主要吊裝的載荷為礦山機械。起重機基本數據如表1：

表1：橋式起重機數據

4.2變頻系統改造

4.2.1變頻器選型

本案現場改造的變頻器采用普傳PI9230C系列起重專用變頻器。該變頻器針對起重行業應用設計，保證起重機使用的安全性、可靠性和高效性。硬件采用美國TI公司電機專用控制芯片DSP，搭載英飛凌公司第五代IGBT，內置起重專用軟件，具有高性能矢量控制、過載能力強（額定電流150%可達60秒，200%可達3秒）、高啟動轉矩（（FOC+PG模式可以在極低轉速下，產生高達180%的初始轉矩，100%快速響應沖擊瞬間負載）、防溜鉤功能。采用矢量控制方式可獲得穩定的工作狀態和良好的機械特性。在滿足沖擊性負載、重負荷應用的同時，還能完美呈現起重行業的工藝控制特性，增進系統效能，達到了快速反應，平穩安全運行的要求。

其安全性和可靠性主要表現在：

1)預勵磁及起動預轉矩補償：預勵磁功能是在啟動之前自動地對電機實行直流勵磁，以保證電動機快速地提供起動轉矩，并通過設定起動預轉矩補償值和調節勵磁的時間，使電動機的起動與機械制動器的釋放時間相配合，避免出現“溜鉤”現象；

2)變頻器有速度監視快速停車及超速保護和轉矩監控；支持3種快速停車模式：電氣制動的停車、電氣制動加機械制動的停車、機械制動的停車。

3)抱閘邏輯控制與監控功能：準確的抱閘開啟和閉合控制時序，通過抱閘實時狀態反饋和起動預轉矩補償，確保控制的安全性和可靠性。

盡管起重機起升機構的轉動慣量很小，但其加速時間較短，同時考慮到電網電壓波動的因素，以及安監部門對起重機1.25倍額定靜載荷檢測要求等因素來選擇起升機構電動機的變頻器容量。

本項目主副升降電機選用專業廠家生產的冶金起重專用變頻電機，配置相應的PI9200C矢量型變頻器，設備規格如表2：

表2：起重機電機及變頻器配置

4.2.2制動單元和制動電阻

當電動機處于反接制動或再生制動狀態，變頻器內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動作，必須將這部分能量回饋至電網或增設制動單元及制動電阻以釋放這部分能量。大車、小車、主副升、降的制動單元均選用與普傳變頻器容量相配套的標準外接PB6024制動單元和變頻器專用制動電阻器，見表3。

表3制動系統配置

4.3參數設置及注意事項

針對不同載荷和工作制的起重機，變頻器參數設置（啟動方式、電機自學習、防溜鉤、制動方式等）尤為重要，合理且互相匹配的參數是保證起重電氣系統正常運行的基礎。表4為本案例的參數設置。

表4變頻器參數設置

5、改造后的應用效果

1）交流變頻調速技術的起重機由于變頻器驅動的電動機機械特性硬，起重機的啟動、制動、加速、減速等過程更加平穩快速，定位更加準確，運行中加、減速時整機振動和沖擊明顯減小減少了負載波動，安全性大幅提高。

2）系統運行的開關器件實現了無觸點化，具有半永久性的壽命。

3）由于電動機啟動電流限制得較小，頻繁啟動和停止時電動機熱耗減少，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）變頻調速系統可以根據現場情況，靈活調整各檔速度和加、減速時間，使得變頻起重機操作靈活、現場適應性好。

6）節約能源，變頻調速系統屬高效率調速系統，電機運行電流小，運行效率高，發熱損耗小，因此比老式調速系統大量節電。本案實測節能可達30%左右。在生產工況相同的情況下電耗和維修費用比改制前節約20%左右。

7）可靠性高：變頻器內置的防溜鉤程序及完善的保護、監測及自診斷功能，如再結合PLC控制和采用閉環矢量控制柜，可大幅度提高變頻起重機電控系統的可靠性。

8）高效運行：起重機空鉤或輕載時實現2倍速運行，提高裝卸效率。

通過技術改造，不僅提高了橋式起重設備安全運行時間，也使工作勞動維修強度維修成本大幅降低，因此，變頻調速技術在橋式起重機上的應用是提高工作效益、降低能耗保障工作安全的選擇。

6、結束語

隨著電力電子技術的不斷發展完善，交流變頻調速技術日益顯現出優異的控制及調速性能，高效率、易維護等特點，加之它的價格不斷下降，使其成為起重機械一種優選的調速方案。但是，要使變頻器成功地應用于起重機調速，就必須針對起重機的特點，計算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時采取特殊技術措施，以保證變頻調速的起重機安全、可靠地運行。

參考文獻

1、PI9200C起重機專用變頻器使用說明書

2、《起重電控設計參考手冊》機械工業出版社ISBN9787111372196

3、GB/T14405-2011通用橋式起重機國家標準

4、JB/T4315-97起重機電控設備

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