变频器在天车自动控制系统中的应用

变频器在天车自动控制系统中的应用

作者：孙文涛

来源：《中国科技博览》2013年第16期

[摘要]针对天车正常使用和维护保养过程当中，出现的电能浪费、设备故障率高、电器元件损耗大的问题进行分析，并通过自控改进解决了问题。

[关键词]天车大车小车 PLC 变频器电动机

中图分类号：TH213 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0215-01

前言

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。我们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，我司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，公司派我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。公司看了我的意见之后，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

我认为首先应该改进的是交流电动机的调速方式，改进过程当中，我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，因此我采用了再生制动、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。

四、效果

针对原控制系统中的不足，经过改造后的变频调速控制系统具有以下几个优点：

1.变频器调速控制系统的保护功能强

使用变频器控制电机的运行，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时准确的检测而自动采取应变措施保护电机；

2.工作可靠性显著提高，主要有以下几个方面：

A.电磁铁的寿命可大大延长原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；

B.控制系统的故障率大为下降原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统大大简化，可靠性大为提高；

C.停电减速功能可以在意外停电时使天车减速停止，消除了突然停车所带来的隐患。

3.节能效果十分可观绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。这样，每小时节省的电费相当可观。

4.调速质量明显提高采用了变频调速系统后，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

5.可简化传动链由于可以进行无级调速，从而在机械上省去了非标设计的减速箱，使传动链结构简单，设计标准化。

五、结束语

通过对本公司天车控制系统的改造，解决了其设计中存在的安全隐患，为企业的正常生产提供了有力保障，获得了明显的经济效益。

在改造的过程中有几点体会特别深刻：

1.节能减耗面对全球资源日益减少的今天，每一份资源都值得我们珍惜，每一个人都应该作出自己的贡献。相对来说，变频控制对我们来说是一种投资较大、回报较慢的新兴技术，但是从长远来说，日积月累，节省的开支相当可观。

2.技术创新在科技日新月异的今天，只有不断学习，才能适应时代的发展，创新是一种文化、是一种动力、是发展中不变的主题。创新所带来的是质的飞跃，将会带领我们走向一个又一个高峰。

致谢：

本文在撰写过程中，非常高兴得到了广东省机械技工学校陈令平老师等人的指导，并对本文的修改提出了宝贵的意见，谨此表示感谢！

参考文献

詹业宏、吴福根编，《电工技术基础》广东教育出版社，1994年8月第一版。