变频器与PLC在桥式起重机自动控制中的节能应用

变频器与PLC在桥式起重机自动控制中的节能应用

[摘要]：本文采用变频器与PLC对桥式起重机进行改造，提高了系统性能及自动控制水平，并有一定的节能意义。

[关键词] 变频器 PLC 桥式起重机制动节能

PLC and inverter control in the energy bridge crane application

MAO Ya-hong DANG Jie

（China Aluminium Co.，Ltd Qinghai Datong，810108 ）[Abstract] : In this paper, the PLC and inverter bridge crane for reform to improve the system performance and control, It also has the significance of energy.

[Key words] : braking energy converter PLC bridge crane

0 前言

桥式起重机电气传动共有大车电机2台，小车电机1台，提升电机1台，均为绕线式交流电动机，采用转子串电阻的方法启动和调速。由于工作环境潮湿，对电机滑环、碳刷及接触器腐蚀较大，加上任务重，操作程序难以保证，冲击电流大，触头消蚀严重，碳刷冒火，电机及转子绕组所串电阻烧损，断裂故障时有发生，对生产影响较大，转子串电阻调速，机械特性软，负载变化时，转速也变化，调速效果差，所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。另外，由于铸造车间在铸造铝锭时水蒸汽上升，天车大梁上的配电箱密封不好，容易使电气元件腐蚀，锈蚀。要从根本上解决桥式天车故障率高的问题，只有利用PLC作为控制装置以及彻底改变绕线式电机串电阻调速方式。针对现有技术存在的不足，对起重机采用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，进而实现了起重机的半自动化控制。

1 改造方案

1.1系统的组成

在现代工业控制中，PLC由于具有可靠性高，抗干扰能力强，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设

计、安装、调试、维修方便，维修

工作量少等一系列优点而得到广泛

应用，由于本系统主要是一些逻辑

控制，所以以PLC作为控制核心，

选用艾默生紧凑型EC20系列可编

图1 系统总控制图

程序控制器。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（如图1所示）。

1.2 拖动系统

对于桥式吊车的提升、大车、小车电机分别用4台变频器拖动，大、小车变频器都预置为V/F控制方式，提升机由原来45kw的绕式电机改为30kw鼠笼型电机，大车小车的配用电机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，去掉碳刷和滑环。

1.3制动单元和制动电阻

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。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零(使它们停止) ；对于起重机，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。

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（TD3000系列变频器22KW及其以下机型中，已内置了制动单元；但是所有的制动电阻都需要外接）和制动电阻消耗掉的方式。针对桥式起重机的起重机升降机构起、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，因此制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能；制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。

1.4调速系统的工作情况

天车中电机所带负载都为恒转矩负载，采用变频调速，机械特性变硬，当负载转矩变化时，电机转速基本不变。桥式天车的速度调节可利用变频器的多级频率选择功能，将FWD、CM接通则正转，REV、CM接通则反转，将X1、CM，X2、CM，X3、CM三对端子分别接通，或其中两对或三对接通，可得多种频率，从而方便得到天车所要求的正反两个方向各种速度。

应现场工作人员的要求，为照顾操作习惯，天车的转速控制仍采用原来的主令控制器和凸轮控制器。利用主令控制器的五对触头来得到变频器输出的六种转速。电机加减速的时间可以通过变频器的设定来进行改变。

2变频调速系统的控制要点

2.1防止溜钩

桥式起重机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PLC进行无触点控制。桥式起重机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。

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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，大约0.6秒（视型号和大小而定）。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。

2.2 变频器设置

1) 重物高空停止的控制过程

设定一个“停止起始频率”fBS，当变频器的工作频率下降到fBS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；设定一个fBS 的维持时间tBB，tBB 长短应略大于制动电磁铁从开始释放到完全抱闸所需要的时间；变频器将工作频率下降至零。

2)重物升降的过程

设定一个“升降起始频率”fRD，当变频器的工作频率上升到fRD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fRD的同时，变频器将开始检测电流，并设定检测电流所需要的时间tRC；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；设定一个fRD的维持时间tRD，tRD的长短应略大于制动电磁铁从通电到完全松开所需要的时间；变频器将工作频率上升至所需频率。

3)变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能

艾默生高性能矢量TD3000系列变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能。零速全转矩功能:变频器可以在速度为零的状态下，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零时，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。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（有速度传感器的矢量控制：200%rpm；无速度传感器的矢量控制：150%/0.5Hz），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。

3变频器的选择与节能

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）。

大车小车行走是一般的负载，因此采用EV1000系列和EV2000系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而

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