1 引言
隨著科學(xué)的不斷進(jìn)步和企業(yè)現(xiàn)代化管理模式的轉(zhuǎn)變發(fā)展，傳統(tǒng)的繼電器觸點(diǎn)控制技術(shù)難于滿足起重機(jī)械的控制要求，在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，起重機(jī)械與電子技術(shù)的結(jié)合也越來越密切。采用plc取代舊式的繼電器邏輯控制，交流變頻調(diào)速裝置取代傳統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式是大勢所趨。
廣東粵電長湖發(fā)電有限責(zé)任公司地下廠房發(fā)電機(jī)層，原來一臺(tái)200t+30t橋式起重機(jī)由太原起重機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)，70年代初建廠時(shí)安裝使用至今的，由于已使用了幾十年，雖然機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)得較好，但電氣設(shè)備已嚴(yán)重老化，許多元件已無法買到，故障頻繁，維修極為困難。為此需要進(jìn)行改造，主要要求為:采用plc控制與變頻調(diào)速控制，將原來的繞線電機(jī)更換為鼠籠電機(jī)，副鉤由原來的30t改為50t。本文詳細(xì)闡述系統(tǒng)改造過程中的電動(dòng)機(jī)、變頻器選型，相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問題，并對(duì)plc控制變頻器方面的成功經(jīng)驗(yàn)作了介紹。

2 橋式起重機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2.1 橋式起重機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)
主鉤額定載重q=200t，額定起吊速度u=0.8m/min，卷筒直徑d=10000mm=1.0m，動(dòng)滑輪組速比m=5。副鉤額定載重q=50t，額定起吊速度u=6/min，卷筒直徑650mm，動(dòng)滑輪組速比m=4。
2.2 橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。橋式起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)由plc、文本顯示器、變頻器構(gòu)成，文本顯示器為本機(jī)的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，通過ppi總線及plc與文本顯示器通信，以顯示完成運(yùn)行狀態(tài)的文本信息及故障信息、報(bào)警信息;plc為全機(jī)的控制核心，主要由cpu模塊的開關(guān)量輸入/輸出模塊與駕駛室的操作手柄以變頻器i/o相連，速度反饋由編碼器檢測信號(hào)反饋至變頻器。

圖1 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電動(dòng)機(jī)與變頻器的選型及關(guān)鍵技術(shù)
3.1 電動(dòng)機(jī)的選型及功率計(jì)算
長湖發(fā)電公司的200t橋式起重機(jī)主鉤原來電機(jī)是采用yzr繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，這次技術(shù)改造，要求采用鼠籠電機(jī)。鼠籠異步電機(jī)變頻調(diào)速主要是通過改變供電電源的頻率f1來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)異步電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1，從而使電動(dòng)機(jī)獲得平滑的速度變化。由定子電壓平衡方程式u1≈e1=4.44f1n1kn1φ1可知，若變頻時(shí)電源電壓保持額定值不變，則當(dāng)f1下降時(shí)，主磁通φ1增加，電動(dòng)機(jī)磁路將進(jìn)入飽和區(qū)域，從而導(dǎo)致空載電流i0和鐵芯損耗的急劇增大，電動(dòng)機(jī)溫升過高。為此，變頻時(shí)，為保持主磁通φ1不變，必須調(diào)節(jié)電壓，使u1/f1=常數(shù)，以期獲得良好的調(diào)速性能。根據(jù)鼠籠電機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性，如圖2所示，在恒壓頻比條件下，改變頻率時(shí)，機(jī)械特性基本是平行下移的，頻率越低，最大轉(zhuǎn)矩就越小。圖2中曲線1為u1n、f1n的固有機(jī)械特性;

圖2 鼠籠異步電機(jī)的變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

曲線2為降低頻率，即f1/ f1n的人為機(jī)械特性;曲線3為頻率更低時(shí)的人為機(jī)械特性。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩tma變小，原因在于:由于保持u1/f1=常數(shù)，當(dāng)頻率較低時(shí)，電源電壓也變低，則此時(shí)定子電阻r1的壓降i1r1大小已不能再忽略，而使e1、φ1、e2、i2下降更嚴(yán)重，最大轉(zhuǎn)矩就會(huì)變小。前面闡述起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載特點(diǎn)時(shí)已表明，橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)對(duì)最大轉(zhuǎn)矩的要求是較高的，它經(jīng)常工作于低速狀態(tài)，并且頻繁啟動(dòng)、重載啟動(dòng)，因此，采用一般的鼠籠異步電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速用于橋式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)并不是很理想。在進(jìn)行電機(jī)選擇時(shí)，除了考慮一般的電機(jī)參數(shù)符合要求之外，重點(diǎn)考察電機(jī)的比值。經(jīng)過慎重選擇比較，選擇了佳木斯電機(jī)廠生產(chǎn)的yzp系列起重及冶金用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，它的=2.8，不僅可以滿足平滑寬廣調(diào)速范圍的要求，而且可以滿足重載頻繁啟動(dòng)的要求。
在確定電機(jī)類型后，計(jì)算電機(jī)的功率:
對(duì)主鉤電機(jī)而言:
要求電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速：n1=580r/min
起吊最大速度：υ1=1.5m/min=0.025m/s
額定起吊速度：υ=0.8m/min
起吊重量：q=210000kg（含起吊裝置）
卷筒直徑：d=1000mm=1.0m
動(dòng)滑輪組：m=6
（1）卷筒轉(zhuǎn)速
n2 = = = 2.866 r/min （1）
（2）總傳動(dòng)比
i = = =202.4 （2）
取標(biāo)稱傳動(dòng)比i=224
（3）作用在卷筒上的轉(zhuǎn)矩

t = ×210000×1.0× =17500kg·m （3）
（4）按減速箱選取電動(dòng)機(jī)
p = = = 58.1kw （4）
3.2 提升機(jī)構(gòu)的變頻器選型
（1）提升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩分析
·電機(jī)的轉(zhuǎn)矩是電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，tmo屬主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其方向可正可負(fù);
·重力轉(zhuǎn)矩tgo是重物及吊鉤、吊具等作用于卷筒的轉(zhuǎn)矩，其大小等于重物+吊鉤、吊具的重量g與卷筒半徑r的乘積，即:tg=g×r，它的方向永遠(yuǎn)向下;
·摩擦轉(zhuǎn)矩t0o是由于減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大產(chǎn)生的，最大λ=50，因此，減速機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩（包括其它損失轉(zhuǎn)矩）不可小視。它的特點(diǎn)是，其方向永遠(yuǎn)與運(yùn)動(dòng)方向相反。
（2）提升機(jī)構(gòu)對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的要求
·速度調(diào)節(jié)范圍
通常an=3。
考慮發(fā)電機(jī)組大修時(shí)的需要，吊鉤垂直速度調(diào)節(jié)范圍要求更寬廣些較好，一般要在an≥10。空載或輕載時(shí)速度應(yīng)加快一些，重載時(shí)則較慢些;
·具有點(diǎn)動(dòng)功能
橋式起重機(jī)常常需要調(diào)整被吊物體在空中的位置，因此，點(diǎn)動(dòng)功能是必須的;
·要有較強(qiáng)的過載能力
橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)常要在重載情況下啟動(dòng)，并且要重物停在半空中再啟動(dòng)，所以，對(duì)變頻器的過載能力要求較高。此外，還要考慮對(duì)位能的處理。重物上升時(shí)，是電動(dòng)機(jī)克服各種阻力，包括重物的重力、摩擦阻力等而做功，屬阻力負(fù)載;重物下降時(shí)，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，當(dāng)重物的重力大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物本身的重力（位能）將成為下降的動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)變成能量的接受者，故屬于動(dòng)力負(fù)載。但當(dāng)重物的重量小于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物仍須電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下降，仍屬于阻力負(fù)載。
綜上所述，可見橋式起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)用變頻調(diào)速控制，要求不但要有寬廣的調(diào)速范圍和較高過載能力，對(duì)轉(zhuǎn)矩的要求也較高。一般的pwm、spwm通用變頻器是使u1/f1=常數(shù)，保持主磁通φ1不變來調(diào)速，f1下降到較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性變“軟”，如圖3所示，并且會(huì)造成電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，故橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)用變頻調(diào)器不能用一般的pwm、spwm通用變頻器，為了保證在低速時(shí)能有足夠大的轉(zhuǎn)矩，采用矢量控制方式的變頻器較合適。

圖3 鼠籠異步電機(jī)機(jī)調(diào)壓調(diào)速時(shí)機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性

（3）起升機(jī)構(gòu)變頻器的選型
在橋式起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)中，因?yàn)樯?、降速時(shí)的電流較大，尤其是低速時(shí)，選擇變頻器功率時(shí)應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)的最大電流，即s3工作方式時(shí)fc=25%的定子電流，具體數(shù)據(jù)可以查電動(dòng)機(jī)的樣本，通常以變頻器的額定電流in＞im的原則來選取。
根據(jù)文獻(xiàn)[1]，yzp315m-75kw電動(dòng)機(jī)的額定電流:當(dāng)fc=100%時(shí)為125.67a;fc=25%時(shí)為175.84a，按電動(dòng)機(jī)fc=25%時(shí)的工作電流選擇變頻器的額定電流，根據(jù)文獻(xiàn)[2]，型號(hào)為“6se7031-8ef60”的矢量控制三相交流傳動(dòng)系統(tǒng)電壓源型變頻的額定電流為186a，能滿足電動(dòng)機(jī)fc=25%啟動(dòng)電流的需要。

4 結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了對(duì)廣東粵電長湖發(fā)電有限責(zé)任公司一臺(tái)200t＋50t橋式起重機(jī)的電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行的改造，改造后系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，操作簡單，控制精度明顯提高，成功地完成了該電廠的發(fā)電機(jī)組大修時(shí)的轉(zhuǎn)子吊出和裝入工程任務(wù)。