行车变频改造方案

淮北市热电有限公司

#1、#2行车变频改造方案

编制：史拥军

2013年3月8日

淮北市热电有限公司

#1行车变频器与PLC控制改造方案

1 引言

我公司#1行车是5T桥式抓斗行车，由操作台、运行机构和桥架组成的。运行机构是由三个基本独立的拖动系统组成：

1、大车拖动系统。拖动整台桥式抓斗顺着车间做“横向”运动（以操作者的 坐向为准），大车的行走由2 台11kW绕线电机牵引。

2、小车拖动系统。拖动抓斗顺着桥架作“纵向”运动。小车的行走由1台3.7kW的绕线电机牵引。

3、抓斗吊拖动系统。拖动抓斗作吊起、放下的上下运动及抓斗的放开、闭合运动。抓斗的升降绳和开闭绳各由1套卷扬机构操纵，卷扬机构的驱动电机为2台30kW绕线电机。

抓斗的所有电机都采用转子串电阻的方法启动和调速。在抓斗的使用过程中存在以下问题：

（1）由于采用转子串电阻的方法调速，机械振动大，行车不稳定，定位困难，

抓斗摆动严重，容易造成机械设备的损坏。转速随负荷变化，调速效果差，所串电阻因长期发热而使电能消耗较大，效率较低。

（2）抓斗的电机采用绕线电机，经常发生碳刷磨损严重、电机及转子绕线过热，

造成维护量大。另外，操作员在抓斗定位时，经常打反车，使电机产生过载现象，影响电机的使用寿命。

（3）由于抓取搬运工作的距离较近，电机处于频繁启动及变速状态，控制电机

的时间继电器和交流接触器处于频繁动作状态，电气元件容易损坏。

（4）在抓取原煤后提升时，难以保证升降绳与开闭绳均匀受力，严重影响钢丝

绳的使用寿命。

交流变频器调速已广泛应用到许多领域，而PLC可以实现输入、输出信号的数字化，利用编程能实现多种功能，由二者配合构成的数字控制系统，可大大改善原有的控制系统的功能，也可以解决桥式抓斗故障率高的问题。 2 #1行车变频加PLC控制改造预期评估：

（1） 采用变频器及PLC对#1行车改造。控制系统由于省去了切换转

子电阻的交流接触器、串联电阻等电气元件，电气控制线路大为简化。行车启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，减少了负载波动，安全性大幅提高。

（2） 采用PLC代替原来复杂的接触器、继电器控制系统，电路实现了

无触点化，故障率大大降低。

（3） 采用变频调速，机械特性硬，负载变化时各档速度基本不变。轻载

时也不会因操作不当而出现失控现象。变频器还可根据现场情况，很方便地调整各档速度和加减速时间，使吊车操作更加灵活迅速。采用变频调速同时也实现了电机的软起动， 避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏， 减少了机械维护及检修费用，提高了设备的运行效率。

（4） 采用变频调速后，电机可以在基本停住的情况下进行抱闸，闸皮的

磨损情况将大为改善。

（5） 由于用鼠笼电机取代了绕线电机，消除了电刷和滑环经常出的故

障。

（6） 节能效果好。绕线电机在低速运行时，转子回路的外接电阻消耗大

量的电能，采用变频调速系统后，可以节约外接电阻消耗的大量电能。

（7） 采用了变频调速系统后，调速精度可达1%，且调速平稳。 3 改造方案

3.1 采用PLC进行系统控制

将#1、#2行车外围电控设备输入信号接入PLC的I/O模块，同时根据#1、#2行车实际工况对PLC进行合理编程。控制原理图如图1所示。

图1 #1、#2行车变频控制原理框图

（1）PLC具有闭锁启动功能，行车操作工在启动设备前必须把主令控制器全部切至零位和行车的进出门的门限开关到位，才能接通主电源。操作主令开关上有状态指示灯，通过指示灯的闪烁频率来显示各种故障状态。

（2）抓斗提升和开闭操作有钢丝绳高限位保护，大车、小车有行程开关保护，各个设备的保护动作只影响设备本身的动作。

（3）所有的变频器的故障信号都接入PLC，大车的变频器有故障信号，大车就不能动作。其它的变频器出现故障只影响设备本身的动作。

（4）抓斗提升与下降、闭合和开启以及小车前行和后退、大车左行和右行有操作互锁。

（5）大车、小车速度的档位切换，可实现平稳切换。 （6）禁止行车操作工利用打反车来对大车和小车进行定位。 （7）实现提升绳和开闭绳的自动追速功能。 3.2 电机的改造

用变频器调速替代原有的串电阻调速方式,电机改造为鼠笼电机,取消原有串电阻调速的外围电路的时间继电器与交流接触器。#1行车大车的两台电机改造成11kW的鼠笼电机，小车的电机用3.7kW也改造成鼠笼电机，开闭和升降电机都用30kW的鼠笼电机（原电机改造）。#2行车大车的2台电机改造成7.5kW的鼠笼电机，小车的电机改造成2.2kW鼠笼电机，开闭斗和升降电机同#1行车 改造方法：绕线电机可以改装为一般鼠笼电机方法是：将绕线转子的三根出线并到一起，用绝缘带包好，在定子绕组上通上三相交流电就可以使用了。电源接线一样，绕线式转子是绕组，引出的三根线外接电阻，通过调节电阻值大小可以调节电机转速。鼠笼式的是铝条，只能工作在一个转速下，不能调整速度

3.3 变频器的应用

变频器启动电机为软启动，同时大车的两台行走电机可通过变频器将两台电机并联同步动作，从而使大车运行振动减小，运行平稳，定位准确，在开闭和升降的控制变频器的程序里设置。当变频器的输出力矩达到设定值时，机械抱闸方可打开。另外，在抓斗运行的过程中，开闭变频器或升降变频器出现故障，

机械抱闸会抱死，抓斗不会溜钩；在行车的总电源停电时，机械抱闸也会抱死。 3.4 电气制动

采取由变频器外接的制动单元和制动电阻消耗掉的方式。改造中保留原电磁机械制动方式。采取再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的办法。由变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和提升、开闭斗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，仍然必须利用电磁制动器进行机械制动。

液压抱闸系统在改造时将与变频器进行电气联锁。即只有变频器有大转矩输出时，液压抱闸才能松开。当变频器没有转矩输出时，液压抱闸合闸，锁死机械装置。所使用的变频器在电机制动时，会出现电机处于再发电运行状态，变频器就需制动电阻耗散这部份能量，同时使电机的制动能力提高。 4 系统配置及选型 4.1 变频器的选择

（1） 变频器容量的选定：选用的变频器的容量要比电机的额定容量大一档；

配备制动单元和制动电阻

（2） 提升和开闭变频器选用专门用于起重的变频器 （3） 过载能力为额定电流的150%，持续60s 4.2 PLC的选择

（1）基于桥式抓斗工作环境粉尘多以及在运行过程中振动大，PLC的防护 等级要高，一般达到IP67;

（2）有数字量输入通道和模拟量输入通道。模拟量输入通道用于对电流信

号的处理,选用西门子的s7-300系列

4.3 制动电阻容量的选择

制动电阻用于将电动机的再生电能转换成热能而消耗掉。 （1）制动电阻RB的阻值

一般情况下，RB的大小要使制动电流不超过变频器额定电流的一半为宜，即

RB≥2UD/IN （1） UD—变频器的直流回路电压V; IN—变频器的额定电流A; （2）制动电阻的功率PB PB≥UD2/RB （2） （3）制动电阻的选取

根据式（1）和（2），选择的制动电阻如表3所示 表3 制动电阻阻值及功率

备注：大车变频器控制双电机，每台变频器用四个电阻。提升、开闭和大车变频器的电阻使用并联的接法。

（4）制动电机的阻值及其容量，也可以选择厂家提供的与变频容量相匹配的放电部件。

5 PLC和变频器组态时要考虑的问题

（1）上煤行车工在卸煤时，为了赶快完成任务，经常利用打反车来对小车

和大车实行定位，这种做法会缩短大、小车控制电机的寿命和加大传动机械的磨损。为了杜绝上煤行车工的这种做法，在PLC编程时，在大、小车的操作指令中加入0.2s的延时，这样就可以使打反车不起作用。

（2）抓斗开闭、升降防溜钩。利用变频器本身具有的功能通过合理的设置使其达到抓斗开闭、升降防溜钩的要求。

通过设定变频器的输出力矩达到最大输出力矩的20%（可以根据实际情况来设定）时，机械抱闸才能打开。

（3）自动追速功能。抓斗在抓取物料后提升时，往往只有开闭钢丝绳受力，容易使其损坏，这是要求提升钢丝绳在最快的时间里与开闭钢丝绳一起受力。为达到这个要求，在PLC程序里设计一段小程序，其原理如图2所示。

图2 追速功能原理图

当提升电机电流AI1小于开闭电机电流AI2的95%（这个值可根据现场的实际情况作适当的修改）时，模拟量比较模块就发出信号“1”，如果这时提升、闭合信号存在，PLC发出提升750r/min的信号到提升变频器，而开闭变频器得到的信号是700r/min，从而达到追速的作用。当提升与开闭电机的出力平衡时，提升电机的转速就切换回700r/min，与开闭电机的转速一样。 6 #1、#2行车前期改造

#1、#2行车目前故障多发部位主要是大、小车行走的机械、电气回路、凸轮控制器和主控室主回路，变频改造主要以大小车电机及回路为主

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