变频调速系统在 5 0 1 0 t 桥式起重机上的应用

η— ——电动机的效率， 约 ０．８５

Ｋ — ——电流波形的修正系数， ＰＷＭ 方式取 １．０５￣１．１０

ＰＭ — ——负载所要求的电机的轴输出功率， ｋＷ Ｋ１ — ——容量补偿系数， 取 １．１￣１．２ ＰＣＮ — ——所需变频器容量， ｋＶ·Ａ 主 钩 电 机 型 号 为 ＹＺＲ３５５Ｌ２－ １０ ９０ｋＷ， 根 据 式（ １） 计 算 可

ＰＣＮ — ——所需变频器容量， ｋＶ·Ａ 大 车 电 机 型 号 为 ＹＺＲ２００Ｌ－ ８ １５ｋＷ， 根 据 式（ ２） 计 算 可 得

变 频 器 容 量 为 ７５ｋＶ·Ａ。 小 车 电 机 型 号 为 ＹＺＲ１６０Ｍ２ － ６

７．５ｋＷ， 根据式（ ２） 计算可得变频器容量为 ２２ｋＶ·Ａ。

!" 设备管理与维修 ２００６ №４

广州港西基港务公司 ２ 号带 斗 门 式 起 重 机（ ＳＵ２， ５００ｔ／ｈ） 电 变， 冲击较大。

控是 １９８５ 年引进日立公司的设备， 采用绕线式异步电机转子串

二 、改 造 配 置

电阻调速。因调速电阻发热严重， 导致环境温度迅速上升， 综合

根据门机的运行特点， 同时为了满足门机高启动转矩、低速满

得 变 频 器 容 量 为 ２３０ｋＶ·Ａ。 副 钩 电 机 型 号 为 ＹＺＲ２５０Ｍ－ ８

３０ｋＷ， 根据式（ １） 计算可得变频器容量为 ５５ｋＶ·Ａ。

②用于驱动起重机运行机构电机的变频器容量的计算。起

重机运行机构属于惯量负载 ， 其加减 速 时 间 一 般 不 超 过 ２０ｓ， 变

频器的短时过载能力为 １５０％， 时间 １ｍｉｎ。如果电机在 ５ｍｉｎ 内

２０％， ５０％， １００％的 额 定 速 度 ， 系 统 中 设 超 载 限 制 器 、升 降 限 位 、 可认读性强， 便于维护。

性能指标差， 效率低； 异步电机集电环和电刷， 要求定期维护； 大 转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制功能的要求， 选择 ＡＢＢ

量的继电器、接触 器 的 故 障 频 繁 ， 维 护 量 大 ； 电 气 制 动 采 用 涡 流 的 ＡＣＳ６００ 系 列 直 接 转 矩 控 制 变 频 器 ， 为 与 其 匹 配 选 择 ＡＢＢ

技术改造

３．调 速 系 统 中 其 他 器 件 的 选 择 变频调速系统是一个由变频器为核心的， 与其他器件组合 而成的调速控制系统。除了正确选用变频器之外， 其他器件的正 确选用对系统合理性和可靠性也是至关重要的。 （ １） 电源选择。使用原有 １５ｋｇ 轻轨作为滑触线， 通过铸钢集 电器自重压力实现与厂房变压器三相交流 ４００Ｖ、５０Ｈｚ 电源结合。 （ ２） 断路器的选择。当变频器切入电源时， 产生较大的冲击 电流以完成对变频器内直流电路电容器的充电过程， 这在没有 设置进线电抗器的系统中更为突出， 为了避免断路器的非正常 跳闸， 断路器的容量选用变频器额定电流的 １．３ 倍， 电磁脱扣整 定值为断路器额定值的 ５ 倍， 以便在过电流或短路事故时自动 切断电源， 使用施耐德产品。 （ ３） 接触器容量的选择。接触器在电路中主要用于变频器电 源的接通和开断， 必要时切断电源， 以保证系统安全。在正常情 况下， 接触器的接通和断开的次数极少， 且基本上是在无负载情 况下进行的， 其容量按电机额定电流选用， 使用施耐德产品。 （ ４） 电源侧交流进线电抗器的选用。进线电抗器主要用来减 小电网与变频器之间的高次谐波与浪涌电压、浪涌电流的相互 影响， 抑制谐波电流， 改善功率因数。按变频器容量选用日本安 川配套进线电抗器。 （ ５） 热继电器的配置与选用。主、副钩和小车均为一台变频器 控制一台电机， 由于变频器具有过流、过热等多种保护功能， 故不 设置热继电器。对于大车为一台变频器控制两台并联的电机， 须 在变频器与每个电机之间加热继电器， 并使热继电器的触头进入

控制电路， 当一台电机过热时停止变频器的工作， 保护电机。 （ ６） 制动单元的选用。当电机处于反接制动或再生制动状态
时， 变频器内直流电路的储能电容二端的电压将升高。为了避免 电压过高而使直流过压保护动作， 为此必须将这部分能量通过 增设制动单元及制动电阻释放。根据 ＶＳ６１６Ｇ７ 型变频器的容量 及系统负载特点选用配套的制动单元和制动电阻。

电机原来安装自冷风扇的轴上安装图尔克脉冲光电编码器， 防

止电机产生超转差（ 溜钩） 现象。通过速度卡把编码器采样的信

号作为变频器输出速度闭环控制。

（ ２） 变频器容量的计算。

①用于驱动启升机构电机的变频器容量的计算公式如下：

ＰＣＮ

≥

Ｋ１ ＫＰＭ ηｃｏｓφ

（ １）

式中 ｃｏｓφ— ——电动机功率因数， 约 ０．７５

设备进行升级改造。

一 、带 斗 门 机 的 运 行 特 点

１．门机在启动时， 启动转矩≥１５０％额定转矩。

２．当抓斗下降时， 电机处于再生发电状态， 其能量要向电源

侧回馈。

３．在抓斗满载突然打开和由空载挖煤时， 负载会急剧变化。

４．电 气 制 动 与 机 械 制 动 之 间 切 换 不 能 平 滑 完 成 ， 时 有 坠 斗
变频调速系统在 ５０／１０ｔ Baidu Nhomakorabea式起重机上的应用

张建平 陈舜乾

摘要 介绍用变频调速系统改造 ５０／１０ｔ 桥式起重机传统控制系统时， 变频器容量的计算及型式的选择； 电动机、ＰＬＣ 及其余元 器件的选择； 起重机变频调速系统原理说明及控制系统软件程序的设计。
关键词 桥式起重机 变频调速系统 ＰＬＣ 中图分类号 ＴＨ２ 文献标识码 Ｂ

技术改造

图 １ 启升机构原理图

!" 设备管理与维修 ２００６ №４

门式起重机电气控制系统的改造

李西林

摘要 针对门式起重机电气控制系统老化情况， 分析了起重机的运行特性， 采用变频器技术和可编程控制器进行改造， 提高了 设备的运行效率和稳定性。
关键词 门式起重机 变频器 可编程控制器 中图分类号 ＴＰ２９ 文献标识码 Ｂ

现象。

５． 变幅机构的变幅巴杆嘴在 ３５ｍ 处和 ９ｍ 处 能 准 确 停 止 ，

在 ８ｍ 处能紧急停止。

ＮＤＢＵ－ ８５—总线适配器 ＴＳＵ—晶闸管供电单元

６．通 过 触 点 式 手 柄 完 成 调 速 电 阻 切 换 ， 切 换 时 电 机 电 流 突

图 １ 系统构成

"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

电机制动， 动 态 性 能 差 、耗 能 高 。 可 编 程 控 制 器 为 日 立 ２０ 世 纪 ＡＣ８０（ Ａｄｖａｎｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ） ＰＬＣ， 组成一个多传动控制系统， 如图 １。

８０ 年 代 的 产 品 ， 只 能 处 理 开 关 量 ， 扫 描 时 间 长 ， 为 此 ， 决 定 对 该

阻力性负载， 故采用 Ｕ／ｆ 开环控制方式。此外， 在 Ｕ／ｆ 开环控制方

式下， 一台变频器同时驱动两并联的电机工作。启升机构的惯量

较小， 负载变化较大， 属于位能性负载。为了获得快速的动态响

应， 实现对转矩的快速调节， 获得理想的动态性能， 采用闭环矢

量控制方式以获得稳定的工作状态和良好的机械特性。故而在

一 、概 述 ５０／１０ｔ 桥式起重机传统的电气系统为典型的接触器—继电 器控制系统， 电路复杂、繁琐。电器触点经常出现粘连、烧坏等故 障， 线圈也经常被烧坏， 制约着生产节奏的提高； 其调速是通过 转子串联电阻实现 的 ， 结 构 复 杂 、速 度 转 换 不 稳 、容 易 对 机 械 系 统造成大的冲击， 并且串联的电阻浪费很大的电能。因此， 采用 变频器—ＰＬＣ 组成的电气控制系统对该桥式起重机进行改造。 改造时， 首先拆除主断路器、主接触器及各限位开关以外的 所有控制电路， 接入变频器—ＰＬＣ 电气控制系统。在各方向的电 机上接上变频器， 通过主令控制器和 ＰＬＣ 的控制实现 各 方 向 无 触点、多速段的软启动运行方式， 甚至可以达到无极调速。 该系统不仅简化了电气线路， 而且还大大改善了启动、运行 方式。由变频器—ＰＬＣ 自身的保护功能取代了原来由分立元件 组成的保护系统， 既节省了空间又减少了故障点， 从而明显改善 了行车的整体性能。 二、变频器—Ｐ ＬＣ 调速系统中元器件的选用 １．变 频 调 速 系 统 中 电 机 的 选 用 为了与原有减速机安装尺寸相配套， 将原有 ＹＺＲ 绕线异步 电机转子短接， 直接由变频系统进行调速。这样， 电机运行在低速 时原有自冷风扇风量变小， 散热能力变差， 将出现温升。为此拆除 原有风叶， 改装恒速冷却风扇， 保证电机运行在低速时的冷却效 果。由于绕线异步电机与笼型异步电机相比， 其绕组的阻抗较小， 因此容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸。且绕线异步电 机的极数往往较大、同步转速较低， 同样功率下电机的额定电流 往往较大， 所以在选择变频器时要留有一定的余量。 ２．变 频 器 的 选 用 （ １） 变频器型式的选择。由于起重机起升机构负载为恒转 矩负载， 故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器（ 通用变频 器） ， 适用于起重机使用的变频器有日本安川 ＶＳ６１６Ｇ７ 系列， 三 菱 的 ＦＲ－ Ａ２４０Ｅ， ＦＲ－ Ａ２４１Ｅ 系 列 ， 德 国 西 门 子 的 ＳＩＭＯＶＥＲＴ－ ６ＥＳ７０ 系 列 ， ＡＢＢ 公 司 的 ＡＣＳ６００ 系 列 ， 英 国 ＣＴ 公 司 的 Ｕｎｉ－ ｄｒｉｖｅ 系列等变频器。这类变频器都可以通过软件来选择其控制 方式， 通常有 ４ 种方式可选， Ｕ／ｆ 开环控制方式； Ｕ／ｆ 闭环控制方 式； 开环矢量控制方式； 闭环矢量控制方式。根据厂使用变频器 的情况， 选用日本安川 ＶＳ６１６Ｇ７ 型变频器。 平移机构由于其惯量较大， 负载变化相对较小， 基本上属于

工作， 一方面控制相关的继电器工作， 使变频器调速系统的主接

四 、桥 式 起 重 机 控 制 系 统 软 件 程 序

触 器 、制 动 器 及 启 升 机 构 的 强 迫 风 冷 电 机 正 常 工 作 。

根据桥式起重机的运行控制要求 ， 系统 ＰＬＣ 编 程 环 境 为 西

主 令 控 制 器 采 用 ４－ ０－ ４ 控 制 方 式 ， 其 速 度 分 别 为 １０％， 门 子 ＳＴＥＰ７ Ｖ５．０ 软 件 ， 控 制 程 序 采 用 梯 形 图 设 计 ， 简 单 直 观 ，

的加速时间小于 １ｍｉｎ， 则变频器的容量计算方法如下：

ＰＣＮ

≥

１．５ＫＮＰＭ ηｃｏｓφ

（ ２）

式中 ｃｏｓφ— ——电动机功率因数， 约 ０．７５

η— ——电动机的效率， 约 ０．８５

Ｋ — ——电流波形的修正系数， ＰＷＭ 方式取 １．０５￣１．１０

ＰＭ — ——单台电机的轴输出功率， ｋＷ Ｎ — ——同时工作的电机数量
４．ＰＬＣ 的选择 为了全厂备件的互换性， 以及西门子 Ｓ７－ ３００ 系 列 ＰＬＣ 具 有可靠性高、指令丰富 、易 于 掌 握 、操 作 简 捷 、模 块 结 构 清 晰 、装 卸 简 便 、维 护 简 单 、适 应 性 好 等 优 点 ， 故 而 采 用 西 门 子 Ｓ７－ ３００ 系 列 ＣＰＵ３１４ 为 基 本 单 元 ， 选 用 输 入 模 块 ＳＭ３２１， 输 出 模 块 ＳＭ３２２ 等组成系统。 三 、起 重 机 变 频 调 速 系 统 原 理 启 升 机 构 原 理 图 如 图 １ 所 示 ， 系 统 采 用 日 本 安 川 的 ＶＳ－ ６１６Ｇ５ 系列变频器， 使用全 矢 量 闭 环 控 制 方 式 。 图 中 ＩＮＶ－ Ｓ 为 启 升 用 变 频 器 ， ＰＧ 为 脉 冲 编 码 器 ， ， Ｍ 为 启 升 变 频 电 机 ， ＭＦ 为 变频电机的冷却风机， Ｙ１ 为制动器， ＵＳ１、ＵＳ２ 为制动单元， ＲＳ１、 ＲＳ２ 为制动电阻器。变频器内的 ＰＧ 卡是变频器的选用件。专用 于带脉冲编码器反馈的闭环控制系统。 电源电压由断路器 ＱＳ１ 经主电源接触器 ＫＯＳ， 进线 侧 电 抗 器 ＬＳ 送入变频器。图 １ 中 ＰＬＣ 输入部分来自主令控制器触点、 限位信号、保护信号以及变频器输出的反馈信号 （ 包括力矩信 号、零速信号、故障信号） ， 从而进行逻辑运算和控制。ＰＬＣ 的输 出部分， 一方面作为变频器的输入， 使变频器按主令的速度要求