桥式起重机电控系统改造

天车也称桥式起重机，主要用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运的设备，它是由大车、小车、减速机、电动机、控制系统等设备构成。客户公司是以生产镀锌钢卷为业务的加工型企业，由于钢卷的重量大、形状特殊，因此搬运完全依赖于天车，它的运转情况直接影响到公司的正常生产，甚至涉及到工人的人身安全。 一、问题的出现 因为生产需求，在仓库及车间各装配2台25吨起重量的天车，在使用过程当中经常出现相同问题：（1）起动电流过大，对电网冲击大；（2）机械设备使用寿命过短，电机连轴器、钢绳等机械易磨损；（3）接触器、继电器等电器元件的触头、线圈经常烧坏；（4）电动机故障率高。而维修天车属于高空作业，极不方便，而且天车故障很大程度上影响了生产进度。基于上述原因，客户要求对天车故障全面检查，进行改进。 二、故障检查与分析 经过详细的检查、试验以及分析，产生故障的原因有5个方面： （1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，而且电动机一直在额定转矩下工作，电能浪费严重。 （2） 天车升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。 （3） 天车每天需进行大量的搬运工作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器并通过继电器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头、线圈。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。 （4） 在天车起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。 （5） 为适应天车的工况，操作人员经常性的反复操作，导致天车的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。 针对上述现有技术存在的不足，我公司决定采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现天车的半自动化控制。客户公司看了我们的意见之后，在原材料充分的情况下，决定改进仓库入口的天车。

三、改进方案 首先应该改进的是交流电动机的调速方式，改进过程当中，采取了变频器调节方案。 3.1拖动系统 1、电动机选型 A.大车与小车所用电动机 这个方面要求不高，选用普通的笼型转子异步电动机即可，因此，原设备系统的电动机不需作改动； B.升降用电动机 由于要求比较高，应选用变频专用的笼型转子异步电动机。原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。 2、调速方法 采用目前国际先进技术，具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，改进中对主钩电动机我采用3段速度运行，从低到高逐步切换，这样，就有效的防止了电动机的全矩启动。 3、制动方式 在改造过程当中，采用何种制动方式显得至关重要，既要准确制动实现自动控制，又要防止突发事件，因此采用了再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。这种结合方法具有如下两个优点： A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止) ； B.对于天车，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。 3.2变频调速系统的控制要点 天车拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器（PLC）进行无触点控制。 天车控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。 防止溜钩的控制需要注意的关键问题是： 1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间的，经精确测试，大约0.6秒。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。 2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。 为此，采取了如下控制方法： 1．重物高空停止的控制过程 A．设定一个“停止起始频率”5Hz,当变频器的工作频率下降到5Hz时，变频器将输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令； B. 另外将5Hz的维持时间设定为0.8秒, 略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间0.6秒； C. 经过0.8秒之后，变频器将工作频率下降止0，此时，主钩电动机停止工作。 2． 重物升降的过程 A． 设定一个“升降起始频率”5Hz,当变频器的工作频率上升到5Hz时，将暂停上升。为了确保当制动电磁铁松开后，变频器已经能控制住重物的升降而不会溜钩，所以，在工作频率达到5Hz的同时，变频器将开始检测电流，并将检测电流所需要的时间设定为0.3秒； B．当变频器确认已经有足够大的输出电流时，将发出一个“松开指令”，使制动电磁铁开始通电； C. 此时，还需设定一个升降起始频率的维持时间，改造中，我将此时间设定为0.8秒，略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间； D. 变频器将工作频率上升至所需频率,现在，天车就可以开始起升重物了。 3. 变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能 因此选用的变频器必须具备有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如： A.零速全转矩功能 变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机有升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。 B.起动前的直流强励磁功能 变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩，维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。 4. 变频调速控制系统的介绍 A.大、小车运行机构 大车为双梁结构，分别由两台7.5KW电动机拖动，用一台较大的变频器（20KW）供电； B.小车由单台2.2KW电动机拖动，并且由单独的变频器（3.7KW）供电。 C.起重机升降机构 起重机升降由一台电动机（45KW）驱动，所以应选用一台较大的变频器(50KW)。 D.制动单元和制动电阻 本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单元和制动电阻消耗掉的方式。针对天车的起重机升降机构起、降制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此：原制动系统不需作改变。 E.变频器选择： 在改造过程中，选用了三菱系列FR-A540变频器。 采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax 式中 I1nv--变频器额定输出电流（A）； In--电动机的额定电流（A）； Imax--电动机实际最大电流（A）。 对于起重机升降电动机（45KW），考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用三菱公司高性能矢量控制变频器。三菱FR-A540变频器采用目前国际先进的磁通矢量控制方式(无速度传感器调节范围1:120，有速度传感器1:1000)，通过对电机励磁电流和转矩电流进行解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行。另外FR-A540具多速控制功能，操作更方便。 5.变频器参数设定： 主钩变频器多段速度设定：将Pr4设定为50Hz，Pr5设定为20Hz，Pr6设定为5Hz（Pr4.Pr5.Pr6为变频器高.中.低速设定），Pr79设定为3（外部控制模式）。 6.可编程序控制器（PLC）选择： 此方案,选用了三菱FX2N系列的PLC，PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。 7.控制电路： 在控制电路方面，采取如下方式：打开控制手柄开关，主接触器得电，被控设备包括PLC及所有三个变频器，这时按下控制手柄启动键，PLC运行，天车投入工作，按下控制手柄停止键，PLC断电，天车停止运行，在天车控制方面，实行点动控制，主钩电动机和电磁铁线圈互锁。 控制手柄与PLC接线图 X0 启动 Y0 Y1 Y2

主钩电动机正转低速 主钩电动机正转中速 主钩电动机正转高速 起升低速 起升中速 起升高速 X1 停止 Y3 Y4 Y5

主钩电动机反转低速 主钩电动机反转中速 主钩电动机反转高速 下放低速 下放中速 下放高速