桥式起重机电气控制电路的变频改造

1、桥式起重机电气控制电路的变频改造柳州市环城建筑工程劳务有限责任公司 张XX15T/3T桥式起重机主要由主钩（15T ）、副钩（3T ）、大车和小车四部分组成。大车的轨道敷设在沿车间两侧的立柱上，大车可在轨道上沿车间纵向移动；大车上有小轨道，供小车横向移动；主钩和副钩都装在小车上，主钩用来提升重物，副钩除可提升轻物外，也协助主钩翻转或倾倒工作用，但不允许两钩同时提升两个物件。1 问题提出桥式吊车电气传动共有大车电动机2台，小车电动机1台，共5台，采用转子串电阻的方法启动和调速。由于工作环境恶劣，粉尘或有害气体对电动机集电环、电刷以及接触器腐蚀较大，加上任务重、操作程序难以保证，冲击电流大、触头消

2、蚀严重、电刷冒火，电动机转子绕组所串的电阻因长期发热而烧损、断裂，因此故障率较高。电动机转子绕组串电阻调速，机械特性软，负载变化时转速也变化，调速效果差；转子绕组串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。平均每月发生较大的故障5次，对生产影响较大。因此，要从根本上解决桥式吊车的各种弊端，只有利用PLC 作为控制装置并采用变频器变频调速技术来解决。2 改造方案桥式吊车电气传动系统选用了功能强、速度快的三菱FX2N-80MR 型PLC 控制器。由于该系统主要是一些逻辑控制，所以以PLC 作为控制核心。变频器采用FR-A740型和FR-A540型，系统的组成方框原理图，如图1所示。2.1 可行性分析桥式起

3、重机的5台电动机都需要调速，因而各有独立的调速系统。其中主钩、辅钩是位能负载，要求恒力矩、四象限运行，性能要求高，调速控制较为复杂。桥式起重机要求起动力矩大，低速时需大力矩输出，一般U/f控制，转差频率控制的变频器无法满足负载变化剧烈要求。磁通矢量控制方式是基于电动机的动态数学模型，通过坐标变换把异步电动机模仿成直流电动机的控制方法，即将异步电动机的定子电流分解成产生磁场的电流分量（励磁电流）和与磁场相垂直的产生转矩的电流分量（转矩电流），通过控制电动机的励磁电流和转矩电流大小、相位，就可以对电动机的励磁电流和转矩电流大小、相位任意控制，从而达到控制电动机转矩的目的，也就控制了电动机的转速。因

4、而采用磁通矢量控制方式的变频器，调速范围宽、过电流抑制能力强、转矩控制性能好，尤其可以控制静止转矩，满足主、副钩电动机的工作要求。大车、小车只用一般的变频调速U/f控制即可，且大车两边的两台相同型号电动机只用一台变频器拖动，只要变频器的容量足够就没问题。正常的情况下，大车由一台变频器控制两台电动机同时得电，就能满足同步的要求。若有一台电动机有断路或匝间短路，造成三相不平衡，可利用零序互电流感器，将零序电流信号传给晶体管放大器，放大后传给继电器，再由继电器控制开关设备，使其断开电源；若有一台电动机完全不得电，而三相是平衡的，可在两台电动机总线路上安装欠电流继电器，当总电流小于某值时说明有一台电动

5、机不得电，欠电流继电器动作，切断大车控制电路；当某一台电动机过载时，过电流继电器会动作，切断电源。2.2 器件型号选择和主要参数设定当桥式起重机的主钩电动机快速制动或带着位能负载快速下降时，电动机工作在发电状态，此时电动机所产生能量如不及时回馈给电网或用外部电阻消耗掉，既不能获得足够大的制动转矩，还会导致变频器过电压跳闸，甚至损坏变频器。因此，正确选择变频器就显得尤为重要。FR-A740系列是起重机专用变频器，具备磁通矢量控制模式，采用正弦波PWM 控制，特别装备有专为控制桥吊和完成自动调整功能的智能软件，内置能量回馈再生制动单元和交流输入电抗器，完全满足桥式起重机的工况要求，还具有明显的节能

6、效果。器件型号的选择和主要参数的设定，如表1、表2所示。表1 桥式起重机变频器的选型 转子回路三相引出线分别焊接在一起即可。表2 桥式起重机变频器的主要参数设定值 注：要设定Pr96(自动调整设定/状态 ，必须先将Pr77设定为1。3 工作原理以桥式起重机主钩为例，PLC 与主钩电动机变频器的接线如图2所示，电磁制动控制电路如图3所示，PLC 的I/O分配如表3所示。图2中，R1、S1直接接入电网，是为了在需要时保持异常信号，便于控制和分析原因。否则，当保护回路已经动作时，若断开变频器电源侧的电磁接触器KM ，则变频器控制电路电源也断开，异常输出信号不能保持。STF （或STR ）的闭合能使电

7、动机保持正转（或反转）状态，RH （高）、RM （中）、RL （低）的不同动作组合，可使变频器多段速运行。主钩电动机的负载是恒转矩负载，低速时要有大转矩输出。采用顺序起动、逆序制动控制。所有的时序控制和端子均由PLC 编程控制，简单、可靠、灵活。图3中，主钩的电磁制动器控制过程：当变频器得到正转上升命令后，变频器输出频率达到设定频率（例如3HZ ）以上时，端子RUN 输出低电平，即继电器KA1得电吸合，控制KM1吸合，电磁铁YB 松开（此刻变频器已能通过电动机输出足够大的起升力矩），此信号回馈到变频器，电动机开始运转并上升至设定转速。当变频器得到下降命令后要求减速停机时，如果过早制动，就会磨损

8、制动机构，缩短机械寿命；若在电动机停转时才进行制动，电磁制动滞后动作会引起输出力矩不足使重物跌落。因此，在电动机减速制动时，将能量回馈再生单元投入运行，采用低速制动的方法，当变频器频率下降至设定频率时（例如6HZ ），端子RUN 输出高电平，KA1不吸合， KM1就断开，YB 制动、主钩电动机停止，从而克服了过早过晚制动的弊端。当变频器故障或提升限位开关动作时，KM1 断开、YB 制动、主钩电动机停 止、保持住重物，防止溜钩。这些都由 PLC 编程控制，使系统具有更 高的安全可靠性。 4 结束语 表 4 为起重机改造前、后的部分运行参数对比，可见改造后的起 动电流和稳态电流都比改造前小了许多。

9、 采用专用变频器调速系统改造后的桥式起重机， 经柳工机械工程 公司总装车间的桥吊一年多的实践应用证明，重载低速起动可靠、运 6 行稳定，加减速时间的设定使各档起动、制动速度相当平稳，控制精 度高。利用频率检测信号控制制动器开闭，解决了溜钩问题。利用电 源回馈技术把电动机的再生能量回馈电网，既提高了系统的效率，也 提高了系统的安全性。PLC 的控制使电动机主电路实现了无触点化， 减少了故障点和故障率，使系统的可靠性进一步提高。取消了传统的 电动机转子串电阻起动，每台起重机每年仅节约就达 11 万元，每年 节省电费、维修费、人工费等共计为 55 万元，间接的经济效益约为 76 万元。因此变频调速系统在桥式起重机中应用推广，具有很好的 发展前景。 设备名 称 大车 小车 主钩 副钩 起重机电气控制电流改造前 电流改造前、 表 4 起重机电气控制电流改造前、后的部分运行参数对比 原电动机容 变频器容 电动机起动电流/A 电动机稳态电流/A 量及额定电 量及额定 改造前 改造后 改造前 改造后 流 电流 9.5KW/20A 22KW/45A 76 42 41 37 20 台 4.2KW/9A 7.5KW/15A 25 16 8.6 7 72KW/141A 90KW/178A 198 161 1