PLC、变频器在交流桥式起重机

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【摘 要】本文主要介绍交流桥式起重机在传统控制电路的基础上，提出了原主钩控制电路改为plc、变频器控制的交流桥式起重机电气控制的改造设想，对桥式起重机节能改造提供一定的参考意义。

【关键词】交流桥式起重机；PLC；变频器；主钩；主令控制器

0 前言

传统的以继电器、接触器为基础的桥式起重机电路是个十分成熟的电路，在计算机没有用到工业设备之前，以凸轮控制器实现大车、小车及副钩的操作，以主令控制器加继电器实现主钩的操作控制的确是科学的，并体现了工程的经济性。几十年来，凸轮控制器及主令控制器双向多档位的操作方式在起重机中几乎形成了固有的模式，但近几年，随着计算机技术与电力电子器件的迅猛发展，电气传动和自动控制领域也日新月异，其中代表性的是交流变频器装置和可编程控制器获得了广泛的应用，为PLC控制的变频调速技术在桥式起重机拖动系统中的应用提供了有利条件。下面主要阐述利用PLC和变频器对桥式起重机的主钩电路进行改造的一种方法。

桥式起重机是在厂矿企业、车站、港口、仓库、建筑工地等部门常用的起重设备，其结构是由可前后移动的横梁大车、左右移动的小车和固定在小车上可上下移动的主、副吊钩组成。工作时，主钩或副钩从一个地方将工件吊起，通过横梁大车和小车的移动将工件搬到另一个地方，再将工件放下。

传统的交流桥式起重机（以15t/3t为例）分主电路、控制电路。主电路是由凸轮控制器和接触器组成的。其中凸轮控制器QM1、QM2、QM3分别用来控制大车、小车、副钩的正反转和速度调节，主钩是由接触器经控制线路中主令控制器来控制主钩的正反转，调速和制动。控制电路上半部分为起重机的电源控制电路，主要为零位及限位保护，下半部分为主钩主令控制器与接触器的工作电路。使用凸轮控制器控制的各台电动机，在凸轮控制器的触点上流过的是电动机的工作电流。由主电路可知，交流380V电源经隔离开关SQ1进入电源保护控制回路，需要开动起重机时，一定要将横梁凸轮控制器QM1、小车凸轮控制器QM2、及副钩凸轮控制器QM3置零位，还要把横梁护栏、驾驶室舱口都关好，使栏杆行程开关SQ1、SQ2、舱口安全开关SQ3闭合，再按下起动按钮SB1，则接触器KM1得电自锁吸合，电动机主回路和主钩控制回路均供电。其后的操作由于电路在动作上相对较为独立，在此不再多加细说了。

桥式起重机的工作常是断续式的，时开时停，每小时接电次数多。因此，所用电动机经常处于起动、制动、反转之中；负载很不规律，时轻时重，经常承受大的过载和机械冲击。同时，起重机还要具有一定的调速范围，但其对调速平滑性一般要求不高。为此，专门设计制造了起重机用电动机，我国生产的起重机电动机有JZR型和JZ型（新系列为YZR与YZ），前者为绕线式感应电动机，后者为鼠笼感应电动机，这种电动机一般按反复短时工作制制造，具有较大的起动转矩和最大转矩，以适应频繁和重负荷下起动、制动、和正反转，满足减少起动时间和经常过载的要求。传统的交流桥式起重机的电机一般采用绕线式感应电动机。

用主令电器配合接触器控制主钩电动机在不同档位转子串电阻调速时的机械特性如图1所示。

由于传统的桥式起重机的电力拖动系统采用交流绕线式异步电动机转子串电阻起动和调速，采用继电器、接触器进行控制，使该系统

在使用中存在以下问题：

1）桥式起重机工作环境恶劣，工作任务重，电动机及所串电阻烧损和断裂故障时有发生。

2）继电器、接触器控制系统可靠性差、操作复杂、故障率高。

3）转子串电阻调速机械特性软，负载变化时转速也变化，调速效果不理想。

4）所串电阻长期发热，电能浪费大，效率低。

为了节约能源，提高起重机的工作效率，可利用PLC、变频器技术对交流桥式起重机的主要部位――主钩控制进行技术改造（以15t/3t桥式起重机为例）。其改造思路和具体方案为：

1 主钩电机的特征分析及控制特点和要求

主钩是桥式起重机的主要提升机构，当改用变频器来控制主钩电机的转速时，电动机工作的机械特性：当重物上升时，主钩电动机克服各种阻力（包括重物的重力、磨擦阻力等）而作功，属于阻力负载，电动机正转。这时电动机旋转方向与转矩方向相同，处于电动机状态，其机械特性在四象限中的第1象限，如下图2中曲线所示：

图2 主钩电机吊重物上升时机械特性

当重物下降时，由于重物本身有按重力加速度下降的能力。因此，当重物的重力大于传动机构的磨擦阻力时，重物本身的重力（位能）是下降的动力，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载，这时电动机的转子转速将超过同步转速而进入了再生制动状态，电动机的旋转方向是反转（下降）的，但其转矩的方向却与旋转方向相反，是正方向，这时其机械特性在第4象限，如下图3曲线所示：

图3 主钩电机吊重物下降时机械特性

但当重物的重力（轻载式空钩）小于传动机构的磨擦阻力时，重物自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现，这时电动机的转矩和转速都是负的，故机械特性曲线在第3 象限，如下图4曲线所示：

图4 主钩电机吊轻物下降时机械特性

根据主钩电机的以上特征，主钩电机的控制可采用具有机械互锁和速度控制且能频繁起停的主令控制器配合PLC、变频器来完成主钩的上下运行、调速和制动等 ，在控制时需要具有以下电气控制要求：

1）可经常带负载起动，且在重负载下时，主钩在各档速度下仍能平稳工作；

2）在满负载时，能在空中停止并重新启动不产生溜钩的现象；

3）主钩的负载力矩为位能性反抗力矩，因而电动机可能运转在电动状态或制动状态，下放重物，电机工作于制动状态时，再生能量必须速迅释放，停车时必须采用机械制动；

4）除此这外，还要有必要的零位、失压、短路、过载和行程终端保护等。

2 主令控制器的功能

主令控制器是一个具有机械互锁的13档位开合状态的开关量控制器，它具有频繁起停、上下速运行、行程控制、零位保护等功能。主钩的主令控制器在不同档位开合状态信号，主令控制器的是将对电动机正反转、调速、零位保护、限位保护等命令开关量信号输送给系统（PLC的输入），作为主钩系统的控制输入信号。

3 变频器的选择

3.1 类型的选择

变频器为电动机提供频率可调的交流电源，是实现电动机速度调节的关键设备。根据控制功能分有三种类型：即普通功能控制型、具有转矩控制的高功能型、矢量控制高性能型；由于主钩负载为恒转矩负载，可选用具有转矩控制功能的高功能型变频器，因为这种变频器低速时转矩大，静态机械性硬度大，不怕冲击负载，具有挖士机的特性；同时其性能价格比还是相当令人满意的。故选用三菱FR―A240E系列高功能型变频器。

3.2 容量的选择

在起重机械中，因为升降速时电流较大，同时在下放重物时，电机持续工作在制动状态，则变频器的容量适当予以放大。通常，起重机械用变频器容量是按以下步骤求出的：

1）先求出负载的电机容量Pmn（kW），公式是Pmn≥Gn・ν/6120・η。式中Gn――额定重量（kg），具体计算时，应考虑须有125%的过载能力，v――额定线速度（m/min）， η――机械效率。

2）再根据负载电机容量计算变频器的容量（kVA）， 公式是 Pcn≥k・Pmn/η・cosφ。式中k――电流波形的修正系数（PWM方式取1.05-1.1）， η――电动机的效率（通常取0.75）。

3）变频器的额定电流计算式：变频器额定电流>电动机额定电流×（k1・k3/k2），式中k1――所需最大转矩与电机额定转矩之比值（一般取1.5-1.8）， k2――变频器过载能力（一般取1.5）， k3――裕量（取1.1）。

对于15/3t桥式起重机的主钩电机容量已经知道，为22 kW，则根据公式计算出变频器的容量Pcn≥k・Pmn/η・cosφ≥38 kVA，故选用容量为40kVA的变频器，且能满足变频器的额定电流的计算公式。

3.3 变频器的速度控制与要求

变频器具有可以预先设定多档工作频率（大多为7档或8档），频率的档次由外部控制模式中控制端子RH、RM、RL的不同状态组合来实现，同时利用PLC的三点输出信号来控制RH、RM、RL的不同状态组合，实现变频器对主钩电机的不同速度控制，。由于主钩上、下行速度控制具有六档位速度控制，在改造时用了前面六挡不同组合来实现了速度的控制。在传统的主钩控制中，下行控制中的“J”档是下降的准备档，是为将齿轮等传动部件咬合好，以防止下放重物时突然快速运动而使传动机构受到剧烈的冲击（防止溜钩）而设计的，这时主钩电动机加上正向相序电压，同时电磁抱闸末松开制动轮，因此，电机转子不动，因而在“J”档中不允许停留时间过长，以免电动机堵转而烧坏。在改用变频器控制改造中取消了这个准备档，但是为了防止溜钩现象，我们利用了变频器的输出频率检测功能信号输出端子FU，配合PLC来控制主钩的电磁抱闸的动作。起动时，频率逐渐增加，电机绕组加上正向或反向的旋转磁场，但由于频率未能增加至输出频率检测功能的设定值，抱闸线圈不得电，抱闸不松开，防止了溜钩。同理，停止时，频率逐渐减小，降至输出频率检测功能的设定值，先使抱闸线圈失电，抱闸抱紧制动轮，再使电机频率逐渐减小至零，也防止了溜钩。

此外，主钩在下放重物时，由于重力作用，电动机将处于再生制动状态，电机的动能将通过逆变器反馈到变频器的直流回路中，使直流电压升高，甚至达到危险的地步。因必须配置专用的制动单元和制动电阻，以保证足够的转矩。同时使直流回路电压保持在允许范围内。制动电阻的容量一般应和电动机的功率相等，制动电阻值的大小计算公式为：

R=（Ud・Ud）/Pm，制动单元的允许电流按电机的工作电流的两倍考虑。

4 PLC的控制

PLC是主钩系统的控制部分，接受来自主令控制器、按钮、变频器频率检测信号等，对主钩的控制系统进行控制，是主钩的控制核心。根据主钩的控制要求及点数要求，选用点数为48点的PLC基本单元，在主钩改造中，我们选用了三菱系列中FX2N――48MR型PLC。其输入/输出（I/O）的接线图5所示为：

由上面PLC的I/O接线图各点的定义与主钩原控制中的功能要求，编写了一套控制程序，实现对主钩的上下运行、调速、制动等的控制，在梯形图中，Y1（KA0）是主令控制器的零位信号，用来控制外接电压继电器kV，对主钩控制线路起失压和零位起动，保证每次起动电机频率从零逐渐增加；M0为变频电源接通条件软继电器，由外部电压继电器kV控制，同时它也具有短路、过载、失压、变频器异常等保护功能；M4是主钩电源接通软继电器；M1、M2是主令控制器的上、下行允许软继电器，作限位保护和上行超程控制；Y0（KM2）主钩电源接触器；Y2、Y3是变频器的上、下行相序控制信号；Y5（KA5）、Y6（KA6）、Y7{KA7}是变频器的档位速度控制，对主钩进行速度调节控制；M3是变频器频率检测软继电器，由变频器频率检测输出信号端FU（X04）控制；Y4（KM4）是主钩制动用电磁抱闸电源控制接触器，它是采用失电制动，由电机速度控制档和频率检测信号（M3）配合控制抱闸电源；Y10（KA3）是变频复位信号，对变频器起复位作用。（下转第59页）

（上接第55页）为了确保PLC控制的变频器调速技术对桥式起重机主钩拖动系统达到改造要求，进行了主提升机构模拟负载试验。其载荷分为：空钩17%，负载为62.1%、106%、125%额定负荷，速度分为三挡：10%、60%、100%；副钩为3t，载荷分为：空钩30.6%，负载为62%、92%、123%，速度也分为三挡：10%、60%、100%。试验数据如附录6所示：试验证明，采用PLC控制的变频器调速改造方案的各项技术数据均优于其他调速方案，可达到改造目标。

5 方案实施

1）由于主钩电动机所用的是绕线式电机，因此要将该电机的转子三相绕组在滑环处短接（原串电阻全部取消）；

2）根据主钩主电路、控制电路接线原理图对主令控制器、PLC、变频器进行改装与接线；

3）变频器的参数设定；

4）PLC程序编写与输入；

5）整机调试与试运行；

6）信息回馈。

6 结束语

由此可见，利用PLC控制的变频调速技术对桥式起重机主钩电路进行改造，系统的各挡速度、加速时间都可根据现场情况由变频器设置，调整方便，增加了主钩的灵活性和工作环境，当负载变化时，各挡速度基本不变，调速性能好，并能迅速准确地移动和定位。良好的低速性能，经过一段时间的试运行，不但提高了起重机的工作效率，而且节能效果明显。同时，故障维修率大为减少，达到改造目的，具有一定的推广价值。

【参考文献】

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