桥式起重设备的变频控制探讨与改造实践

桥式起重设备的变频控制探讨与改造实践

Discussion and reform practice of frequency control equipment has the bridge

袁 忠 YUAN Zhong

（成都航空职业技术学院 成都 610100）

摘 要：

桥式起重机的变频调速改造是近几年才开始应用的新技术，是一个新的探索和尝试。本文通过对桥式起重机驱动原理的分析，简要阐述和对比了桥式起重机传统电气控制方式与变频控制方式下的能耗情况，得出节能的空间和方向，并提供了改造案例，供业内共享和交流，以提高节能意识。

关键词：桥式起重机 能耗分析 PLC 变频器 变频调速 节能改造 1. 问题的提出

桥式起重机是工矿企业中应用十分广泛的一种起重设备，其传统控制方式采用“继电器-接触器”控制系统。这种电控系统存在启动电流大、对电网冲击严重、可靠性差、故障率高等缺点；而且因采用电动机转子绕组串电阻调速，机械特性软，调速效果差；同时转子绕组串电阻长期发热，电能浪费大，效率低，对生产影响较大。随着电力电子技术的发展和变频技术的广泛应用，对桥式起重机的变频调速改造也势在必行。

2. 桥式起重机的运行机构及电气控制要求

2-1 运行机构的构成

运行机构由三个基本独立的拖动系统组成：

（1）大车拖动系统 拖动整台起重机顺着车间作“横向”运动（已操作者的坐向为准）。 （2）小车拖动系统 拖动吊钩及重物顺着桥架作“纵向”运动。

（3）吊钩拖动系统 拖动重物作上、下起吊或放下的“垂直”运动（也称起升机构）。 2-2 负荷特征

上述三个独立拖动系统的负载转矩TL都与“阻力”FL和回转半径RL的乘积成正比：

TL = FL·RL

在大车和小车拖动系统中，FL 是摩擦力，而在吊钩（起、升）拖动系统中，FL 是被吊物和吊钩的重力。由上式可知，负载转矩TL的大小与转速无关，因而具有“恒转矩”的特点。 2-3 电气控制要求

三个独立的拖动系统中，大、小车拖动系统的要求一般，这里主要谈吊钩拖动系统的要求： （1）在全调速范围内，电动机的有效转矩应该是恒转矩；

（2）启动时，除上述负载转矩TL外，还必须克服静摩擦力。所以，拖动系统应有足够大的启动转矩；

（3）重物下降时，除空钩和极轻负载外，在绝大多数情况下，都是靠自重而下降。为了避免重物因重力加速而不断加速出现失控，电动机必须产生足够的制动转矩，使重物在所需的转速下平稳下降；

（4）重物在空中停车时，不能出现“溜钩”现象。

3. 桥式起重机传统拖动方式的能耗分析

3-1 传统拖动系统的主电路构成

传统拖动系统的主电路如图1所示，其驱动电机大多采用绕线转KM1子异步电动机；调速是通过在电动机的转子回路中串入多段外接电阻KM2MR1R2R3R4R5R1～Rn ，由接触器KM1～KMn的状态来决定串入电阻的多少，从而KM3调整电动机的转速；而制动则采用电磁制动器进行机械制动。

KM4 图1 传统拖动系统的主电路

3-2 传统拖动系统的功率损失分析

对于绕线转子异步电动机，分别考察其转子回路不串电阻时和串入电阻时的机械特性。

n5n01n1Q11PM1oPL1△P1T1T

图2 转子回路未串入电阻的机械特性及功率分配

未串入电阻时，电动机的机械特性可理解为自然机械特性，如图2所示。曲线1称为电动机的自然机械特性曲线；直线5为负载的机械特性（恒转矩负载特性），两曲线的交点Q1（T1，n1）为拖动系统的工作点，转子转矩为T1，转速为n1，而同时电动机的同步转速为n 01。这时电动机转子的功率分配如下：

（1）电动机的电磁功率： PM1 = T1·n 01 / 9550，

由于定子侧的功率损失所占比例很小，所以PM1近似代表电动机的输入功率；

（2）电动机的输出功率： PL1 = T1·n1 / 9550

取决于转子转矩T1和转子的转速n1 （3）电动机的功率损失：△P1 = PM1 - PL1

= T1·△n 1 / 9550

= s·PM1

式中，s为电动机的转差率, s = △n 1 / n 01 以上分析说明电动机的功率损失与转差率的大小成正比。

n5n01Q1n2Q22oT1T1PM1PL2

△P2图3 转子回路串入电阻的机械特性及功率分配

当转子回路串入电阻后，其机械特性如图3中曲线2所示（曲线1为自然机械特性）。这时，拖动系统的工作点移至Q2 点，转矩仍为T1，转速则下降为n 2。经分析有：

（1）因同步转速n 01未变，电磁功率PM1也不变： PM1 = T1·n 01 / 9550； （2）电动机的输出功率： PL2 = T1·n2 / 9550 则下降； （3）电动机的功率损失：△P2 = PM1 – PL2

= T1·△n 2 / 9550

因转差 △n 2 = n 01- n2 ＞＞△n 1，所以△P2＞＞△P1 。

可见，绕线转子异步电动机的速度降低是通过在转子外接电阻上消耗功率（能量）来实现的，或者说这类电动机是通过让电阻消耗能量来换取速度的降低。若要使速度降得越低，就得让电阻消耗的能量越多。

传统桥式起重机的调速控制就是基于在电动机转子上消耗大量转差功率为代价而使其达到调速目的，是一种耗能较大的调速形式，但因其简单可靠而广泛使用于桥式起重机上。

4. 桥式起重机变频调速改造的考虑

4-1 变频调速时的功率损失分析

采用变频调速驱动方式时异步电动机的机械特性如图4中曲线3所示，其机械特性曲线基本和自然机械特性曲线平行。所以，在不同转速下的转差大致相等，也就是说异步电动机在变频调

速过程中，其功率损失的大小基本不变（实际略有增加）。

5nn01n2Q11△P3Q33PM2PL2oT1T 图4 变频调速时的机械特性及功率分配

可见，和其他的调速方法相比，变频调速的功率损失最小，故具有节能效果。 4-2 传统控制方式与变频控制方式的能耗对比

为了进一步了解变频调速控制方式的节能效果，现采用对起重机现场等载荷对比测试方法，即对2台50 t桥式起重机进行等载荷等高度吊重运行的对比试验, 其中1台采用传统的接触器控制方式 , 另一台采用变频调速控制方式。

通过测试发现这2台起重机起升机构在起吊50 t载荷做上升、下降运动时所消耗的有功功率是不同的。图5、图6分别是2台起重机的有功功率波形图。

图5 接触器控制起升机构升降功率图

从图5可以看出，起重机在起吊50 t重物时，电动机的功率冲击峰值为73.7 kW, 其稳态功率值为55.5 KW,冲击值是稳态值的1.33倍。虽然起重机在下降运行时势能转换成电能, 但由于上升时功率冲击峰值的作用时间长, 使其总的等效功率为73.44 kW。

图6 变频器控制起升机构升降功率图

图6中变频器控制的起重机因装有制动单元, 所以只有正向上升功率, 反向下降时的功率曲线显示为0。下降时所有势能均消耗在制动电阻上（据有关资料报道, 若采用能量反馈,可节能20% ～40% ） 。其上升时功率冲击峰值为62 kW, 而且作用时间短, 变频器控制的起重机总等效功率约为56.12 kW。上述2种不同控制形式的起重机在同等试验条件下, 总功率差值为17.32kW, 可以得出采用变频器控制后的节电率为23.58%。

由于采用了变频控制技术, 起重机供电线路的功率因数也大为改善。本次测试发现: 图5 控制方式的起重机稳态时电动机的功率因数为0.8, 图6控制方式的起重机稳态时电动机的功率因数为0.93, 由此可知变频调速不仅可以节能，而且还可以提高线路的功率因数，使整个供电系统得到节能的效果。 4-3 变频调速改造案例

某校办企业厂房内有一125/15t桥式起重机，大车为双梁结构，分别由两台7.5KW电动机拖动；小车由单台7.5KW电动机拖动；主起升电动机1台，额定功率45KW，副起升电动机1台，额定功率22KW；改造的具体设计方案如下:

改造后的电气控制系统采用一台PLC作为系统控制中心，用四台变频器对大、小车及主、副起升拖动系统进行控制。

4-3.1 控制系统架构及PLC 选型 改进后控制系统的架构如图7 所示。

PLC选用西门子S7-200型。将起重机电控设备的输入、输出信号接入PLC 的I/O 模块，同时根据实际工况对PLC 进行合理编程。

图7 桥式起重机控制原理框图

4-3.2 拖动系统的设计 1）电动机选型

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，保留不变。

2）调速方法

采用目前较为先进的具有矢量控制功能的变频调速系统进行调速控制。变频后转速可以分档控制，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。

3）制动方式

采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方式。

（1）首先通过变频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,使它们停下来。

（2）对于吊钩，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。

4）变频器的选择

变频器选用日本安川VS616G5系列变频器。该变频器具有全程磁通矢量控制，可配制动单元，在全速范围内具有恒转矩特性。

（1）变频器容量的选择

变频器容量根据大、小车及起升电动机的额定功率来确定，实际选用时应放大30%左右。 本方案里大车用22KW变频器驱动，小车用7.5KW变频器驱动，主、副起升电动机分别用一台55KW和一台30KW的变频器驱动。

（2）制动单元和制动电阻的选择

本系统因重物下降时电动机产生的再生电能，由变频器的外接制动单元和制动电阻消耗。针对起重机升降机构起、停频繁，制动转矩要求较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，制动单元的容量应加大一个档次，以便允许有较大的制动电流，缩短制动过程，而制动电阻均选用国产变频器专用制动电阻器，额定功率可以加大一倍。

5）由于绕线式异步电动机散热风扇是一体的，在低频率速运转时达不到散热效果，所以要在每台电动机上加一台微型轴流风机，完善地达到散热效果。避免电动机长时间低转速所产生的高温现象。

4-3.3 改造后系统的控制要点

桥式起重机拖动系统的控制包括：大车的左、右行及速度挡次；小车的前、后行及速度挡次；吊钩的起、升及调速等，这些都可以通过“PLC+变频器”进行无触点控制。控制系统中需要引起注意的是防止溜钩的控制，在电磁制动器抱住之前和松开后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑而产生溜钩现象。在这个问题上，主要用变频器运行参数设置与变频器的制动单元、制动电阻和液压制动器的配合而达到完美的效果。

为此，具体控制方法如下：

1）重物高空停止的控制过程，如图8所示

A．设定一个“停止起始频率”f BS，当变频器的工作频率下降到f BS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. 设定一个f BS 的维持时间t BB，t BB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；

C. 变频器将工作频率下降至0。

fxfBStBB正转制动报闸要求制动报闸开始制动报闸完成ONOFFONOFFONOFF图8 重物高空停止的控制过程

OFF 2） 重物升降的过程，如图9所示

A． 设定一个“升降起始频率”f RD，当变频器的工作频率上升到f RD 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f RD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t RC；

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．设定一个f RD的维持时间t RD，t RD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；

D．变频器将工作频率上升至所需频率。

fxfRDtRCOFF正转输出电流制动释放要求制动释放开始制动释放完成OFFONOFFONOFFONOFF图9 重物升降的控制过程

tRDON 此外，在调试过程中适当地提高中频电压可以改善低频特性，从而提高启动转矩；提高零频电压可以加大直流强励磁，使电机保持足够大的转矩防止溜钩。

5．系统改造后的应用效果

1）变频器调速控制系统的保护功能强

A．变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式；

B．使用变频器控制电机的运行控制，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；另外对电机的一些参数做到补偿；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很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，闸瓦的磨损情况大为改善；

B．操作手柄不易损坏 原系统的操作手柄因常常受力过大，属于易损件。采用变频调速后，操作手柄的受力将大大的减小，不容易损坏；

C．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，控制系统可大大简化，可靠性大为提高。

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。

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。

6. 结束语

桥式起重机由转子中串接起动电阻控制的系统改为变频调速控制系统后, 不但能使得起、制 动过程中速度平稳变化, 大大减少起重机的机、电冲击现象, 其本身节约了电能, 而且还可以提高电动机的功率因数, 节约了供电系统的能量,对起重设备的安全运行和能源节约作用显著。

参考文献：

[1] 龚仲华.变频器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2011.

[2] 葛 翔.起重机能耗状况的实测与分析[J].起重运输机械, 2010（3）. [3] 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M]. 北京：机械工业出版社, 2010.

作者简介：

袁忠（1969-- ），男，四川成都人，本科，副教授，研究方向为工业自动化。

联系方式： 手机：13981882519

Email: tianaoyz@126.com

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/efyp.html