起重机械的变频节能控制

起重机械的变频节能控制

摘要：本文分析了传统起重机械的电气系统存在的缺陷，并结合当前最先进的变频技术，设计了变频节能控制系统，实现了能源的节约，提高了工作效率、减少了故障率。

关键词：起重机械PLC 变频节能

1.引言

随着我国经济的快速发展，国内各类起重机的需求量也随之极大上升。同时随着能源的枯竭和环境的恶化，能源节约和环境保护也被提到议事日程。国家鼓励和支持节能技术的研究、开发、示范及推广工作，促进节能技术创新与进步。对高能耗的设备进行节能改造，按照国家的规定实行节能审查和监督管理[1]。

2.传统起重机械存在的缺陷

传统的桥式起重机电力拖动系统大多采用绕线式异步

电动机驱动，通过继电―接触器控制改变转子回路中串入的多段电阻进行有级调速。这种控制方式存在能耗大、效率低、低速起动力矩小、机械特性软、调速稳定性差、线路故障率高、维修量大等缺点，而且系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重，影响使用寿命，因此，为提高桥式起重机运行的安全性和精确性，有必要采用变频

器对桥式起重机电力拖动系统进行技术改造。

桥式起重机的控制系统为继电器接触控制系统，噪音大，接线量多，更改控制逻辑困难。传统的起重机械能量转换效率比较低、能耗比较大、成本比较高。同时也产生巨大噪音给使用的环境造成了污染，这与日益严格的节能环保要求有一定距离。因此对传统的起重机械进行节能改造是有必要的。

3.变频节能的理论基础

变频器就是采用整流和逆变技术、电力电子技术、微电脑控制技术等技术来实现变频变压调速节能的[2]。

（1）变频调速节能。为了确保生产的安全性和可靠性，生产机械在选择电动机时，一般都会留出合适的余量。假如电机满负荷运转，多余的力矩会将会增加有功功率的消耗，生产中就会产生浪费，为了节约电能减少成本，可以降低电动机的转速，保持恒定电压。从而实现理想的节能效果。

（2）通过电压-频率比恒定节能。控制分为基频以下和基频以上两种情况。基频以下属于恒转矩调速，基频以上属于恒功率调速，其条件就是要保持电机气隙磁通基本不变。因此，当频率变化时，工作电压也要随之相应变化，这种就是感应电动机有变压变频调速。在确保电机力矩足够的前提下，可自动调节U/f控制曲线，减少电动机的输出功率，降低输入电流，实现节能。

（3）改善功率因数节能。电机转矩是由定子和转子的电磁效应而产生的。在电网方面，绕组因具有感抗的特殊性质而成感性，电机在运转时，就会吸收很多没有必要的功率，也就是无功功率，这会使功率因数降低。使用变频器后，负载对电网的成阻性，功率因数会得到很大的提高，从而减少了无功功率损失。

（4）软启动节能。全压启动电动机时，要求必须要有足够大的启动力矩，大约7倍的额定电流在电网中被吸收，超过额定的启动电流，会导致浪费，并且电压波动更加严重，损失加剧。使用软启动后，情况改善许多，可实现启动电流的平滑调节，电网受到的冲击也将减少，同时减少了启动时惯性对设备转速的冲击，与此同时，延长了设备的使用寿命。

4.变频节能控制系统的设计

起升机构属位能负载机构，不但要求有较高的起制动控制精度，而且还要求多段速控制以及严格的转矩控制。

本课题中的起升机构是由两个主起升机构组成，两者同时工作，分别用一台变频器驱动，同时为了加强控制精度，采用旋转编码器作为检测装置，来实现起升的准确度。

起升机构所使用的变频器，在选型时应以额定电流为基准，一般变频器的额定电流应等于或大于电动机的额定电流。通过计算，变频器的额定电流一般为电动机额定电流的1.2倍以上。

大车的运行是由两台电动机用一台变频器控制，由于运行机构的工作频率单一，为了节省成本，在调速中运行机构共用一台变频器。该变频器的容量应比两台电动机的容量之和大，并且只能选择V/F控制模式，而不能采用矢量控制方式。这样做一方面简化了电路，另一方面又可降低成本。

运行机构的起动时间应尽量符合实际需要，起动迅速而平稳；机构的电气制动方式必须着重考虑。对不同的工况，可选择自由制动方式与强制制动方式。在运行机构正常停止时，可选用自由停止方式，其停止时间可按实际生产中的运行情况设定，以尽量满足司机操作桥式起重机的需要为主。为保证起升机构起动时具有足够大的起动转矩，可以通过设定机械制动器的打开时间、变频器的最低运行频率、运行电流之间的关系，以满足机构负载特性的要求。

采用该种设计，变频器内部参数的设定能保证机构具有良好的调速精度及起制动性能，由于起升机构电机需使用脉冲编码器作为速度反馈装置，通过测量脉冲编码器的脉冲数，利用二者之差控制电机的速度，

5.节能测试

在负载条件相同情况下，将多种实验样品做能效对比的实验，从而得出产品的节能等级，在评价能效时有充分的数据。对比实验差异工作类别的样品。可以对各种型号的产品最终得到的最优化能效工作级别做评判，挖掘节能潜力[4]。

经过长达6个月的对比测试，其每个月的用电量比传统的控制方式减少了42%左右。假如在传统控制方法下，一个月电量1000度，每度电0.5元，则花费500元电费。但是使用变频控制后，节能达到40%，则一个月就可以节省200元的电费，这是相当客观的，其节能效果是非常明显的。

起重机械变频控制系统的设计，一次性的成本投入相对来说是高一点，但是从长期利益和节能、提高生产率、降低使用成本等方面来看，也就是说综合考虑性能、经济因素，其前期的投入是非常有必要的、是值得的。

6.总结

通过对起重机械进行节能测试，已经验证了该PLC-变频系统的节能设计是成功的，达到了节能的目的，同时也提高了日常工作效率，减少了故障率，简化了故障的排除难度。

参考文献：

[1]刘剑锋. 基于PLC-变频控制的桥式起重机节能技术研究[D].太原：2013.10。

[2] 王松雷.桥门式起重机节能设计[J].南京：建筑机械，2010。

[3]李记叶，刘剑锋，张旭升.基于PLC-变频控制的桥式起重机节能改造[J].北京：电子测试，2014.4。

[4] 杨俊.起重机械的能效测试与节能措施[J].大连：起重运输机械，2012.02.20.（2）。