起重机电气调速系统

起重机电气调速系统（精选7篇）

起重机电气调速系统 第1篇

自公元前5000年至4000年的新石器时代, 已经就有简易的起重运输装置的发明。在公元前2800年前, 古埃及人就已经开始使用滚子和杠杆类的装置运送建筑金字塔所需要的重物。在商朝时代, 我国劳动人员使用简单的起重装置来取水。进入工业革命后, 尤其是在19世纪后期, 由于铁路的出现, 为了能够满足相对比较发达国家对港口运送大质量物资的要求, 之前使用的人工驱动的起重机逐渐被机械化的轨道起重机所取代, 从而使得运送重物的效率有了质的提高, 而且还提高了生产过程中的安全系数[1]。

起重机作为工厂、码头以及货场等许多重要场合的关键设备之一, 主要功能是实现物料的搬运, 减轻工作人员的体力劳动, 从而提高工作效率, 达到安全生产的目的。作为国民经济各个部门中物质生产和流通的主要装卸机械, 桥式起重机应得到广泛推广和应用, 使得其在各场合的生产中能够充分发挥其作用。

2 桥式起重机的控制方式

经过数十年的发展, 桥式起重机的控制方式也在不断进行改进, 其控制方式的发展主要分为两个阶段:传统控制方式和现代控制方式[2]。

2.1 桥式起重机的传统控制方式

起重机的控制方式主要研究采用一定的调速装置对起重机实现调速的功能。传统的起重机采用调速的方式主要有以下几种:直接使用启动电动机进行调速;通过改变电机的极对数实现调速;在电动机的转子上串联电阻实现调速;采用涡流制动器实现调速;采用可控硅串实现调速;直流调速。

这几种传统的控制方式中, 包括有级调速和无级调速两种调速方式。有级调速的调速范围小, 只能保证起重机在额定的速度下实现调速, 无法实现起重机的高速运行。

总之, 桥式起重机采用有机调速存在以下几个主要问题:

(1) 采用有级调速系统容易发生故障, 而且由于控制档位较多, 导致控制系统的电路比较复杂;

(2) 起重机的调速系统在调速换挡过程中会有电流和转矩的冲击, 尤其是在重载的情况下;

(3) 在转子上串联大电阻导致起重机的机械特性较软, 从而使得调速系统的速度较低, 定位较困难;

(4) 采用有级调速系统, 在起重机重载的工作条件下, 能量损耗较大。

2.2 桥式起重机现代控制方式

桥式起重机的现代控制方式主要包括普通控制系统、调压调速控制系统和变频调速控制系统三种[3]。

(1) 普通控制系统。桥式起重机的普通控制系统指的是使用PLC系统对系统采集的信号进行分析后给出相应的输出量, 进而控制继电器和接触器的动作, 实现对电机正反转的控制。PLC系统包括中央处理模块、输出模块以及通讯模块等。采用PLC系统还可以在上位机上显示数据, 实现对现场的监控。采用PLC控制系统可以大大节约系统的成本和空间, 而且在一定程度上降低了起重机等设备的故障率。

(2) 调压调速控制系统。调压调速控制系统指的是通过改变电机的三相异步绕线电动机的三相定子电压, 实现电动机的调速。调压调速的关键在于选择一个装置实现对电压的改变。工程中常用的调压方式有串联饱和电抗器、晶闸管等, 其中串联晶闸管的效果最佳。

调压调速控制系统的线路比较简单, 而且这种控制系统容易实现自动控制。为了满足对速度的控制, 调压调速控制系统一般都为闭环控制系统。控制系统需要对目前的速度进行检测后, 将检测到的值反馈到控制装置中, 进而改变晶闸管的导通角改变电动机的定子电压, 从而使电动机的运行速度始终保持在给定信号所保持的速度上。

3 变频调速控制系统

由于电机转动速度与电源输入频率成正比例, 因此可以通过改变电动机的工作频率达到改变电动机转速的目的。由于变频调速较其他的控制方式有特别突出的优势, 故在起重机控制系统被广泛应用。

3.1 变频调速的基本原理

根据异步电机的转速公式:

式中, n为异步电动机的转速, 单位为r/min;f为电动机定子的电源频率, 单位为Hz, S为电动的转速滑差率, P为电机极对数。

通过式 (1) 可知, 改变电动机电源的频率f即可实现对电动机转速n的控制。在电动机调速的过程中, 还需要注意的要时刻保持每极的磁通量的恒定值不变。如果在工作过程中, 电机每极的磁通太小, 将会导致不能充分利用电机的磁芯而造成浪费;若电机每极的磁通较大, 使得磁通饱和, 将会导致励磁电流过大, 最终导致电机的绕组过热而损坏电机[4]。变频调速在调速过程中需要考虑基频以下和基频以上两种调速情况。

3.2 变频调速系统简介

近年来, 随着电子技术的不断发展, PLC可编程控制器在起重机变频调速系统中得以应用, 从而使得其控制系统更加完美, 而且也使起重机的传动系统发生了质的变化。随着PLC控制技术的不断改进和完善, 变频调速系统将会在更广阔的市场中得以应用。

基于PLC的起重机变频调速系统由工业触摸屏、PLC、变频器、按钮、指示灯以及各种控制器和限位开关组成。在工作过程中, 通过变频器实现对起重机中大车、小车以及主钩和副钩电机的驱动, 进而完成对大车正向限位运动、反向限位运动以及正反方向的滑动控制。此外, 该控制系统还能够保护系统的元器件。控制系统中的变频器采用直接的输入、输出控制。该输入输出信号是由PLC可编程控制器发出的, 通过继电器直接向变频器发送操作指令。

系统中采用的变频器可以为电动机提供频率变化的电压, 进而实现变频器对电动机的无级调速。控制系统中采用的变频器需要具有对电动机和自身保护的功能。如果在工作过程中出现过载、过热、过流接地等现象, 使得设备在非正常情况下运行, 那么系统将能够及时报警并停止, 从而减少起重机的故障发生率, 提高起重机工作的安全性能。控制系统中的变频器支持工业中常用的MODBUS通信接口, 因此可以为变频器配置相应的通讯模块, 进而可以实现PLC对整个系统的集中控制, 包括设定变频器的运行参数、控制命令、监控变频器的工作状态以及能够及时对系统故障进行分析处理[5]。

该控制系统在控制室中装有可触摸监控系统。该监控系统一方面保证工作人员能够简单、方便地了解设备的运行状态, 从而减少工作人员的失误;另一方面通过该监控系统还能够监控吊车的运行状态和设备发生的故障。

4 总结

本文主要对桥式起重机的发展进行了简要概述, 对起重机的现代控制系统进行了着重分析, 包括普通调速控制系统、调压调速控制系统和变频调速控制系统。针对变频调速控制系统, 文章简单介绍了基于PLC控制的变频调速控制系统, 主要包括PLC、变频器、触摸屏等, 指出该控制系统具有良好的可靠性和快速性, 提倡其应在电力、码头、钢铁、矿山等行业中大力推广应用。

摘要：本文简单对桥式起重机的发展历程进行介绍, 并着重研究桥式起重机的传统控制系统和现代控制系统, 分析基于PLC控制的桥式起重机变频调速控制体统的系统组成、各硬件系统的设计等, 认为基于PLC控制系统的变频调速系统具有良好的可靠性和响应速度, 应在钢铁、码头以及矿山行业中广泛推广应用。

关键词：桥式起重机,控制系统,变频调速,PLC

参考文献

[1]邸书玉, 迟环宇.基于PLC桥式起重机控制系统[J].科技广场, 2014, (8) :57-60.

[2]刘志刚, 杨伯军.基于PLC的仓库桥式起重机变频控制系统[J].机电工程, 2013, (6) :725-728.

[3]王小勇, 薛峰.基于量子平台状态机的桥式起重机控制系统软件设计[J].电气自动化, 2015, (2) :41-43.

[4]孙立宏.桥式起重机智能控制系统的设计与实现[J].南方农机, 2015, (2) :62-66.

起重机电气调速系统 第2篇

三航起6是一艘60吨旋转式直流起重船，主要通过两组柴油机直流发电机组渠道两组直流电动机，这两组直流电动机分别完成起重机的旋转、变幅和大小吊钩升降动作。可以看出，起重机的动作快慢完全取决于这两组直流电动机的转速大小。

直流电动机调速依据如下：

直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为

（式1）

（1）式中 Ua——电枢供电电压（V）；Ia——电枢电流（A）；Ф——励磁磁通（Wb）；Ra——电枢回路总电阻（Ω）；CE——电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：（1）改变电枢回路总电阻Ra；（2）改变电枢供电电压Ua；（3）改变励磁磁通Ф。

起6船舶的电气调速系统是采用改变电源电压调速，即发电机-电动机调速系统，连续改变电枢供电电压，使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。未改装前，起6主要通过磁场变阻器控制发电机机励磁场，然而这种方式存在着很多缺陷。因为原系统是通过改变与励磁线圈串入电阻的大小来调节励磁电压的，所以磁场变阻器产生的功耗较大，发热量大，其故障率也较高，维修十分频繁。可以看出，这种调速系统既不节能，也没有效率。

考虑船舶线路铺设复杂，设备众多，环境多变，本次改造依然沿用改变电源电压核心思路，这样做只需改造局部线路和设备，既能减少改造成本，又能节省大量人力和时间。

随着变频技术的不断发展，性能日益完善，应用也越来越广泛，在船舶调速系统中引入变频技术，是一次巧妙的应用。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。由于发电机的励磁线圈输入就是220V直流电压，需将变频器稍加改造，去掉其整流部分，通过操作手柄电位器控制变频模块来调节励磁线圈电压。简单的来说就是用一个改装的变频系统来代替了原来系统中的磁场调节器的功能。这样的一个对控制线路的改造，可以使得调速系统的能耗大大降低，可靠性得到提高。

下面为两种控制方式原理图：

（1）磁场变阻器调速系统

如上图所示，Fz和Fy是两组直流发电机，以左发电机Fz为例，由配电板a＼b端输入电压Uab，通过Hkz滑环，使得左发电机Fzob和磁场变阻器Qz串联成回路。根据欧姆定律，Uab=UFzob+UQz. UFzob和UQz分别是Fzob和Qz两端的电压。因为Fzob的电阻值是不变的，所以Fzob的电压是随着Qz的电阻大小而变化，当Qz电阻变大，Fzob的电压就变小，反之则变大。当起重机动作时候，操作手柄给予磁场变阻器控制信号改变其串入回路的阻值大小，从而使得左发电机Fz的励磁电压变化，Fz的输出电压随即也发生变化，Fy右发电机回路与Fz左发电机结构相同，调速同理。因此原本的调速就是通过操作手柄控制磁场变阻器在电路中的有效电阻值就可以改变发电机的输出电压，从而达到调速目的。

（2）变频调速系统

如图，以左发电机组为例，虚线框内的电器元件表示是在起重机操作箱内，输入总电压依然来自配电板a＼b端，进入BPz内，通过操作手柄电位器控制变频模块，调节电压频率和大小，输出三相交流电到Dz三相高频桥堆，通过Dz整流后输入到换向继电器Jz1和Jz2，Jz1和Jz2是一对互锁的换向继电器，决定了起重机的正反转和起升方向，它们输出的电流方向正好相反，同一时间只能工作一个，通过手柄按钮操作控制Jz1和Jz2工作，通过换向继电器将电压输入到3-42和3-43端，3-42和3-43就是一图的滑环HK2，从而使得Fz发电机磁场线圈得电。

比较下来，就是用一个改装的变频系统来代替了原来的磁场调节器的功能。前者是利用串接电阻来分担磁场线圈电压，后者则是通过变频器调节磁场线圈电压。

对船舶调速控制系统进行变频控制后，极大的提高了船舶使用的可靠性。虽然两种调节方式都是无级调速，但是变频器调节比起磁场变阻器明显更胜一筹。

1、起重机的能耗和故障率降低。未改装前，每次磁场变阻器功率消耗8KW～20KW之间，两组使用功耗平均值将近达到30KW，这些消耗都体现在磁场变阻器的电阻发热上。磁场变阻器不仅做了很多无用功，给船舶电站增加负担，而且给操作人员带来不小的麻烦。因为调速系统安装在操作室，起重机司机每次工作就好像坐在一个火炉旁边，开空调也达不到制冷理想效果。不仅如此，这两组磁场变阻器因为发热大，电阻元件、触点和线路经常老化，故障率极高，最严重的时候达到一周故障一次的频率，这严重影响船舶的施工生产。使用变频控制后大大改善了上述状况。一台变频器BPz的额定功率才900W，工作消耗的功率很低。同时，采用变频控制后，调速系统电流大大降低，变频器的故障率远低于磁场变阻器。这样不仅减少了调速系统带来的能源消耗，节约柴油，机油等能源，而且提升了起重机调速系统的可靠性，改变了以往经常要检修调速系统的情况，使得日常检修的周期加长，减少了维护付出的劳动。

2、简化了轮机管理任务。原来的调速控制箱内电器元件线路众多，检修复杂，不方便修理，提高了管理的成本支出。而采用变频控制后，故障显示自动化，智能化，而且实际使用中表明，暂时也未发现出现故障。

3、提高了工作的效率。三航起6在作业时的工作效率明显的提高。良好的设备给了船舶可靠的保证，让船舶在施工任务中大放光彩，常常保质保量的完成工作安排，得到了施工方，业主方的一致好评。

这次改装依然采用改变电枢供电电压调速方式，并没有大动干戈重新设计改造整个系统方案和布局，而是巧妙的引用变频控制，精简控制系统结构，最大程度的节省改装成本，并解决了原本调速系统的弊病，大大提升了起重机的安全性和可靠性。

变频控制技术在直流调速控制中的使用，使得起重机运行的可靠性大为加强，减少了故障点，使得船舶管理变得更为先进，科学。在对需要频繁使用直流电机来工作的工程船舶而言，这样的变频技术应用大大的提升了工作的效率，使得设备的完好率也得到了提高。而且变频控制技术在调速控制系统中的实际应用也表明，这样的技术发展带给实际施工极大地福利，同时经济型也得到了很大的提升。

参考文献

[1]誉强A7系列矢量变频器使用说明书.誉强机电有限公司

[2]岳庆来.变频器控制计术.电子工业出版时社，2006

[3]朱仁初，万伯任.电力拖动控制系统设计手册.机械工业出版社，1992

起重机电气调速系统 第3篇

在变频调速还没有问世时期,就已经有多种起重机械拖动系统的调速方法,这些方法也都得到了广泛应用[2]。如在转子回路串联多段电阻,可以由接触器控制电阻的多少,进而增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速等。还存在通过改变电枢供电电压、改变励磁磁通进而是电动机进行有效调速[3]。SPWM技术有着极其重要的意义和广阔的前景,将其应用到起重机电动机的变频调速上将是SPWM技术的发展方向之一。

1 调速设备选型

首先选定逆变器件,在低压交流电动机的传动控制中,应用最多的功率器件有GTO,GTR,IG-BT以及智能模块IPM(Intelligent Power Module)。第四代IGBT的应用使变频器的性能有了很大的提高,开关器件发热减少,将曾占主回路发热50%~70%的器件发热降低了30%;高载波控制使输出电流波形有明显改善;驱动功率减少,体积趋于更小。因此,笔者在主电路中的逆变环节采用了IG-BT作为逆变器件。

在IGBT的驱动和保护方面采用通用的驱动芯片EXB841。模块采用高速光耦输入隔离,并有过流检测及过流信号输出,过流慢速关断功能,防止以正常驱动速度切断过流时,产生过高的集电极电压尖脉冲损坏IGBT,电路连接图见图1。

在单片机控制技术上,笔者采用了目前比较流行的MSP430系列16位单片机提高系统的精度。SPWM即正弦脉宽调制主要应用于中小容量,高性能的交流调速系统中。通过调节控制逆变器功率开关的接通和断开,控制交流电进过不可控整流器而形成的幅值恒定的直流电,直流电通过逆变器输出后就形成了所期望的等效正弦波形的矩形脉冲电压波形(SPWM波形)。输出的SPWM波形幅值可以通过输入的脉冲宽度控制,频率可以通过改变调制周期改变,进而实现SPWM的电压和频率的可调。

2 硬件主电路设计

2.1 主电路系统设计

在主电路设计中采用了交直交间接变频装置。电源的三相交流电通过6组整流管组成的三相整流桥,整流成直流电。

变频器允许最大电流比一般情况要小,所以要通过串联限流电阻来减小冲击电流,并且要在变频器通电后接入,电容器的充电电流才能被限制在允许的范围内。电源是否接通和滤波器上的电荷是否已经完全释放都是通过电源指示HL显示。另外,切断电源后变频电路停止工作,但是电容器内还有残留电荷需要释放,而电容器电路中没有放电回路,所以其放电的时间要比较长一些。

2.2 制动电阻和制动单元

1)制动电阻RB。电动机在工作频率下降过程中,将处于再生制动状态,拖动系统动能将反馈到电流电路中,使直流电压UD不断上升,甚至可能达到危险地步。因此,必须将在深到直流电路的能量消耗掉,使UD保持在允许范围内。

2)制动单元VB。制动单元由GTR或IGBT及其驱动电路构成。其功能是为放电电流IB流经RB提供回路。

2.3 电流电压检测及保护

在主电路设计的同时还考虑到电流及电压的检测,笔者应用霍尔电流、电压传感器。霍尔电流传感器需要外接15 V稳压直流电源,M端外接取样电阻(阻值由传感器量程决定,一般为10Ω)。霍尔电流传感器外壳印有表示原边被测电流正方向的箭头。当原边被测电流按箭头方向流动时,传感器M端输出正电压,反之输出负电压(见图2)。

3 控制电路方案设计

差频信号听可从转速调节器ASR的输出获得,两者相加后便可获得钉子频率给定信号,这是转差频率控制系统的重要标志之一。为兼顾改善系统抗负载扰动的静差与动态稳定性,系统采用近似PI调节器(见图3)。

系统中采用了转速徽分负反馈技术,而这一功能仍利用ASR来完成。带dn/dt负反馈的ASR电路,改变微分反馈环节参数Cd×Rd便可按要求抑制突加给定启动时转速的超调量,经调试微分时间常数取值τdn=0.12 s.

SPWM调制波的载波比越高,所含的低次谐波的分量越小、50 Hz基波所占的份额越大,逆变器的效率就提高、同时逆变器所需的滤波器的尺寸也可以大大减小,但频率过高,8位微控制可能处理不过来。采用规则采样法来计算SPWM数据,这些数据越准确,产生正弦波的波形越好。但占用微处理器的时间变长,反过来会影响调整,影响精度。

4 结束语

笔者就SPWM控制算法进行了深入研究,并以起重机的异步电动机变频调速系统为控制对象,进行了仿真研究和实际应用。在变频器的主电路采用功率器件IGBT,并研发了以MSP430F149单片机为核心的单片机应用系统。笔者通过软硬件相结合实现起重机异步电动机SPWM变频调速,不仅使硬件简单降低了产品成本,而且软件代码较少,从而大大缩短了开发时间。

参考文献

[1]邓肖粤,汪雄海.桥式起重机变频调速及PLC控制的设计[J].机电工程,2006,9(23):25-27.

[2]吴守缄,臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术[M].北京:机械工业出版,2006.

起重机电气调速系统 第4篇

采用变频调速和可编程逻辑控制技术控制门座起重机各系统,不仅可以明显提高门座起重机的安全性、可靠性,而且可以提高装卸效率,减少能源的消耗,降低维修费用和劳动强度,满足其工况及作业需要。本文针对港口起重机中的门座起重机原有调速系统陈旧、故障率高、耗能大等缺点,设计了基于可编程逻辑控制器(PLC)的门座起重机变频调速系统,它不仅可以提高电机的效率,提高起重机稳定性,还可以降低起重机能耗,延长使用寿命。

2 系统硬件选型

2.1 电动机选型

港口机械中,除长期负载的电动机,如输送机,泵类用Y系列电动机外,其余全部采用起重、冶金系列电动机。门座起重机的起升、变幅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。

变频电动机与普通的异步电动机相比,除了内部结构方面有所不同外,还对绝缘有较高的要求。目前港口使用的变频系统内部都采用交-直-交电压型。当国内用户采用380V级供电时,直流母线端的电压约为500~600V,当能量从电动机回馈到直流母线时,最高电压允许达到800V。电动机的电压是通过变频器内部的IGBT模块经过PWM调制成正弦波后传送的,故电压的波形是由许多高频脉冲波组成。这些脉冲的最高峰值约达到近1000~1200V,因此,要求变频电动机有较高的绝缘等级,一般不能用普通电动机代替。

变频电动机由PWM调制电压波进行传动,在不加输出滤波器的系统中存在较多的高次谐波,这些谐波对电动机的工作非常有害,会导致电动机发热等。因此要求变频电动机有较好的冷却风道。同时,由于变频电动机允许工作于低频状态及零速状态,此时电动机内的风道又无法起到交换热量的功能,因此大功率变频电动机必须配置冷却风机。

YZP系列起重及冶金用变频调速三相异步电动机是在YZ、YZR系列冶金及起重用三相异步电动机上派生的产品,主要适用于驱动各种型式的起重机械及其他类似设备,具有宽广的调速范围、较大的过载能力和较高的机械强度。因此,它特别适用于那些短时或断续运行,频繁地起动、制动、有时过负荷及显著振动与冲击的设备,所以本设计选用了此系列的电动机。

2.2 变频器选型

变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流。由于变频器的过载能力没有电机过载能力强,一旦电机有过载,损坏的首先是变频器(如果变频器的保护功能不完善);又如果设备上已选用的电机功率大于实际机械负载功率,但是有可能用户会将把机械功率调节到达到电机输出功率,此时,变频器的功率选用一定要等于或大于电机功率。个别电机额定电流值较特殊,不在常用标准规格附近,又有的电机额定电压低,额定电流偏大,此时要求变频器的额定电流必须等于或大于电机额定电流。

本设计的变频调速系统的工作环境温度为0~40℃,变频器柜内安装,配有空调进行通风冷却,海拔高度在1000m以下,电网输入电压为380V。根据以上变频器选用原则,本设计选用安川公司Varispeed G7系列变频器。

根据变频器的输出功率和电流选择必须等于或大于被驱动异步电机的功率和电流,本设计变幅机构选用的变频器为1台安川Varispeed G7系列型号为G7A4045的变频器,最大适用电机容量为45k W。起升机构选用的变频器为2台型号为G7A4132的变频器,最大适用电机容量为132k W。变幅和起升机构均采用矢量控制方式,一台变频器控制一台电动机。旋转和行走机构的电动机,由于数量较多,而且是平移机构,对转矩要求不高,通常采用v/f方式进行控制。这种方式可以采用一台变频器带动多台电动机。所以旋转和行走机构选用的变频器各为1台型号为G7A4045的变频器,最大适用电机容量为45k W,其中旋转机构一台变频器控制两台电动机,行走机构一台变频器控制四台电动机。

2.3 PLC选型

可编程逻辑控制器是以微处理器为基础,综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术发展起来的一种通用工业自动控制装置,具有高可靠性、I/O接口模块丰富、安装简单、维护方便、体积小、重量轻和能耗小等优点。其主要功能包括条件控制功能、定时功能、步进控制功能、数据处理功能、A/D与D/A转换功能、运动控制功能、过程控制功能、扩展功能、远程I/O功能、通信联网功能和监控等功能。

本系统选用三菱公司的FX2N-48MR PLC作为下位机,该型号PLC不仅拥有满足特定需求的功能模块,而且每个基本单元都可以扩展至256I/O,另外,它的运行速度也是极快的。与三菱其他系列的PLC相比它是高速度、高性能、小型化的最好选择。

3 系统实现与分析

为提高系统的可靠性,在设计过程中加入了多种保护措施,如增加输出模块(端口)的资源冗余,为防止因外电路短路等原因造成输出端口的损坏,在其输出口设置了短路保护装置,增加了联锁、互锁功能的软、硬件设置等。

本设计采用的可编程控制器为欧姆龙C200HE系列控制器。硬件组成包括6块16位输入的输入模块;4块16位输出的输出模块;一个CPU模块和一个电源模块。

改造后的变频调速系统电动机机械特性变硬,定位精确,提高了装卸船效率;系统运行,启、制动平稳,加、减速时冲击减小,安全性提高,延长了机械的使用寿命;电气制动由变频器实现,降低能耗的也减少了维护量;机械制动在电机速度接近零速时投入,机械刹车的制动片寿命大大延长;减少了大量交流接触器,实现了无级调速;结合PLC及变频器自身的保护、检测、故障报警等强大的功能,提高了电控系统的稳定性。改造后的变频调速系统的清理维护工作减少,节省了维护成本,比较彻底地改变了转子串电阻调速由于控制方式上的缺陷,引发故障率高,能耗高的技术难题。

参考文献

[1]岳庆来.变频器可编程控制器及触摸屏综合应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006:67-74.

简述矿井提升机的电气调速系统 第5篇

关键词：矿井提升机,电器原理,模糊控制,直接转矩

1 矿井提升机的传统电气系统

1.1 矿井提升机的提升流程与电气控制

为了详细讲解矿井提升机的电气系统, 先要明确其工作流程, 依其工作方式对现有的气系统进行评估, 方能提出较有意义的电气控制方案。接下来我们就对其工作流程加以叙述。

矿井提升机在提升的整个过程可分为加速、等速、减速、爬行和停车这5个阶段。在这5个阶段中加速阶段是矿井提升机由静止到运行到最高速度的过程;等速阶段是矿井提升机以最高速度运行的过程, 它是提升过程的主要运行阶段;减速阶段是矿井提升机由最高速度减速到爬行速度的过程;爬行阶段是箕斗进行定位、准备进行安全停车的过程;停车阶段是矿井提升机由爬行速度到静止停好车后的过程。

在这一系列过程中, 在矿井开始工作时, 由操作台发出加速指令, 指令传输到井口绞车提升机的控制器中, 它控制电机开始加速, 并通过减速器带动卷筒旋转, 进而收、放钢丝绳带动箕斗升降达到最高速度, 之后在到达距停车位一定距离的时候发出减速指令, 电机速度降低, 箕斗速度减慢至爬行速度, 当准备好停车至停车位时, 由停车指令触发卷筒抱闸制动机制

1.2 老式矿井提升机的电气系统

老式矿井提升机通常采用传统的交流异步电机来进行驱动。传统的交流异步电机是通过由继电器、接触器构成的逻辑控制装置来实现串、切电阻, 以达到调速目的。这使得其调速性能较差, 同时在串、切电阻的过程中要消耗大量的能量, 这也会造成能源的浪费。加之传统异步电动机在低速运行时的特性曲线较软, 这使得它在次同步状态下难以产生有效的制动力矩, 这对于准确地控制矿井提升机在特定位置停车造成了困难。同时矿井提升机在完成减速、爬行和停车的过程中常采用动力制动、低频拖动加制动的制动方式来完成, 这套控制系统中的晶闸管装置还存在着调试困难、维护工作量大等问题。[1]

老式矿井提升机的另一个问题是采用了传统的交流电控系统, 这种电控系统均为单线系统, 多个控制器使用同一套线路, 这不仅会造成各命令之间的相互影响, 与控制系统相互混联, 还会对其安全性产生较大的影响。

2 矿井提升机的电气调速系统

由于传统的交流电控系统的调速性能较差, 其调速性能主要由其控制方案所决定, 因此我们为了提升矿井提升机的调速性能我们可以依据不同的工况选择不同的控制方案。经过了长时间的发展其控制方案种类多样, 可满足施工作业时的不同需求, 接下来本文就以模糊控制和直接转矩这两个电气调速系统作为研究对象进行介绍。

2.1 模糊控制电气调速系统

模糊控制电气调速系统是指将特定的被控对象、过程控制策略等总结为一系列以“If、Then……”等为表达式的控制规则, 通过处理器的模糊推理处理得到的控制作用集来形成被量化了的模糊语言集, 用以对系统进行控制。常用的模糊算法包含以下几个步骤:对模糊子集进行定义, 确立模糊控制规则;将基本论域转化为模糊集合论域;进行模糊关系的矩阵运算;进行模糊推理合成, 运算出用于控制输出的模糊子集;进行逆模糊运算、模糊判决, 从面得到精确控制量进行控制。

在对矿井提升机的转速进行控制的过程中, 实现模糊控制的原理如下图所示。

通过其原理图我们可以知道, 在这个系统中, 由PLC对传感器的采样计算出被控制量的精确值, 并与给定值进行比较以得到误差信号e和误差变化率de/dt, 然后将误差模糊化形成模糊量E和Ec, 之后对模糊量进行模糊推理运算得到模糊控制量U, 然后将模糊控制量U转化为设备可用的量化控制信号u并将其传入变频器进行控制, 收到信号的变频器依照信息指令对矿井提升机进行作用, 实现控制过程。这种电气系统与传统的电气控制系统相比, 工作范围宽, 适用范围广, 非常适合对非线性系统的控制。[2]

2.2 直接转矩电气调速系统

直接转矩控制是以转矩为中心来对磁链、转矩进行综合控制。它是通过对电机的定子电压和电流进行检测, 以瞬时空间矢量理论为依托, 通过对电机的磁链和转矩进行计算并与给定值的比较, 来实现对磁链和转矩的直接控制。其原理如图所示:

直接转矩控制系统的控制效果与转矩的实际状况相关, 它具有控制结构简单, 处理控制信号的物理概念明确, 系统响应迅速且无超调等特点, 是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。

通过以上对矿井提升机电气调速控制系统的简述, 使初学者们对其知识架构有了初步的了解, 希望可以为其深入研究提供参考依据。

参考文献

[1]卢燕.《矿井提升机电力拖动与控制》.冶金工业出版社.2001

桥式抓斗起重机电气控制系统改造 第6篇

1 原控制方式存在的问题

1.1“桥抓”的结构组成

“桥抓”结构主要由4部分组成:大车及行走机构 (15kW×2) 、小车及行走机构 (7.5kW) 、抓斗起升机构 (90kW) 及抓斗开合机构 (90kW) 。其中, 大车及小车机构属于平移机构, 主要带动起升机构及物料进行平移行走, 抓斗起升机构主要是拖动物料上下运动, 而抓斗开合机构主要作用是抓取及释放物料。

1.2 传统电力拖动系统的缺点

该“桥抓”电气拖动系统采用绕线式异步电动机转子回路串接电阻调速方式, 是起重机械中最常见的调速方法。该方法在使用中存在以下问题:

1) 设备故障率高:因工作环境差, 粉尘、腐蚀性气体极易对电动机滑环、碳刷及接触器等造成不良影响, 加之电动机启动频繁, 电流及机械冲击大, 因此日平均故障率可高达数次。

2) 控制线路复杂:电动机调速级数越多, 需要接入的接触器与变阻器就越多, 这使得控制线路十分庞大复杂, 故障点多。

3) 功率损耗大:转子回路串入电阻后, 电动机转差变大, 机械特性变“软”, 以热能形式释放的电动机损耗功率增多。

4) 机械方面:由于电动机启动频繁, 电流及机械冲击大, 造成桥抓钢丝绳经常断裂。主梁及导轨振幅增大, 设备人员极其不安全。

5) 调速范围窄:由于调速范围小, 从而造成速度稳定性差, 无法长时间低速下放重物。

1.3 实际生产中存在的问题

生料调配站中的“桥抓”在运行过程中负载的变化十分复杂, 在拖动过程中对转矩要求高, 特别要求调速系统在低速包括零速时应能输出较大转矩 (>150%额定力矩) , 动态响应快, 能承受四象限力矩的变化。尤其是抓斗的卷扬和开闭电动机在使用过程中反复承受无数次的倒顺转操作, 经常受强电流、大力矩冲击, 对电动机和机械部件损伤较为严重, 故障率高, 严重影响生产。

由于我公司原电气系统控制设计桥式起重机的使用率只有30%左右, 使用过程中由于元器件种类多、数量多、操作频繁, 使得电气机械故障增加, 有时一天维修多达20次, 所以经常存在由于辅材的断料而导致停磨的事故, 严重的还可能造成停窑。

2 改造方案

变频器以其优越的软启动及调速平稳性能与完善的保护功能, 可为“桥抓”的传动系统可靠运行提供有利条件, 因此采用PLC控制的变频器控制方案对“桥抓”控制系统进行改造。

2.1 控制系统功能要求

本系统控制核心主要采用PLC来实现整个系统的逻辑控制, 主要功能如下:

1) 各个机构的启/停控制及多段速控制。

2) 对抱闸及散热风机控制来保证各机构电动机更为合理的进行工作。

3) 系统安全连锁控制。

(1) 行车上各个进出口的门以及操作室的门在打开状态下, 禁止操作;

(2) 各操作手柄未处于零位置时, 上电禁止工作 (即零位保护) ;

(3) 主起和开合变频器中任意一台变频器报故障时, 两台变频器均立即停止输出, 同时抱闸动作;

(4) 任何时刻断电, 系统将立即停止, 抱闸动作。PLC故障时, 各操作命令无效 (PLC无输出) , 这时, 抱闸闭合, 行车处于安全停止状态。紧急事故时, 司机可按“急停”按钮, 切断控制电源, 使抱闸闭合。

4) 系统报警及限位保护。

(1) 当变频器出现故障或制动单元出现报警时, 停止本机构的一切动作, 且抱闸立即闭合, 散热风机延时断电;

(2) 各机构操作至限位时, 限位开关将保护动作、变频器停止输出, 以保证人身及设备安全。

2.2 电控系统配置

按“桥抓”的功能要求及机电设备的型号规格进行电控系统的配置。该“桥抓”电控系统配置见表1。以抓斗起升电动机为例, 其控制原理见图1。

2.3 改造后的控制系统特性分析

1) 变频系统与常规电气控制方案相比, 省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器, 降低维护量90%以上, 延长电动机寿命。

2) 采用多段速调速控制, 操作方式与原有的一致。但变频控制方式下的“桥抓”多段速调速控制更安全、精确和有效。

3) 变频控制方式下, 电气制动与机械制动相结合, 制动平稳可靠。保护负载不受损伤, 且减少了部件及结构的磨损和机械应力。采用矢量控制闭环方式, 0Hz时起升电动机也能以额定转矩输出, 实现零速抱闸, 可以全速受控, 减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损。

4) 加减速平滑, 使振动和冲击变小, 同时减小了负载的晃动, 提高了安全性能。无需采用机械变速装置, 利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩及轻载工况的起升速度提高一倍, 类似于直流电机的弱磁升速方式, 可大大提高生产率。

5) 电动机加减速时间可调整, 可实现系统的软启动、软停止, 速度变化平滑, 运行平稳, 低速性能稳定, 启动电流小。最大不超过电动机额定电流的150%, 频繁启动和停止时, 电动机热耗减小, 延长电动机寿命。对电网容量的影响也大大减少。

6) 能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求;可以长时间低速运行;能有效的防止重载空中溜钩现象。通过观察仪可以观察到其公认的低速力矩特性:矢量控制从零速开始输出150%高力矩运行, 可使起重机在低速下平稳启动。在重负荷时, 起重机也能在各档速度下平滑运行, 在空中停止并重新启动上升或下降时无溜钩现象。

7) 变频器的“危险速度段设置”可使电动机避免在某一速度或某一速度范围内运行, 电动机通过危险速度范围时按照加速或减速积分曲线进行加速或减速。

3 改造后的使用效果

1) 启动平滑, 对电网、电动机及机械设备无冲击力, 充分保证了电气、机械的安全运行。

2) 加减速特性实现了斜坡特性, 抓斗在上下左右的过程中来回摆动的现象减少, 保证了人身及设备的安全。

3) 故障率大大减少, 也不再出现启动、加减速过快过猛而造成的钢丝绳断裂、抓斗坠落以及大小车跑出轨道现象。

4) 节能降耗及经济效益明显。设备故障率减少节省维修费用;提高了设备的运行率, 保证了生产的正常运行, 经济效益显著提高。

改造前后“桥抓”各电动机的耗电数据见表2。

A

2007年5月改造后, 经统计可节省电费约9 000元/月 (有效运行时间12h/d) , 电气机械维护费用可节省11 000元/月, 8个月可收回改造成本。提高了设备运转率, 有效解决了因“桥抓”故障造成供料不足影响生产的瓶颈问题。

参考文献

起重机制动器电气控制系统优化 第7篇

近几年来, 随着我国钢铁行业产能的快速释放, 铸造起重机向着大型化、专业化、高效化方面发展成为一种必然趋势, 如何实现铸造起重机的安全生产和稳定运行, 从根本上杜绝各类事故的发生显得至关重要。

为此, 以酒钢碳钢薄板厂连铸区域起重机为例, 对其制动器电气控制系统进行了优化, 以期为国内同行业的起重机制动系统排除故障提供参考。

1 酒钢碳钢薄板厂起重机制动器电气控制系统介绍

酒钢碳钢薄板厂连铸区域起重机制动器的电气控制系统是由遥控接收器给PLC输入模块动作指令, PLC输出模块输出220V电压控制中间继电器的线圈, 中间继电器控制主电路接触器的线圈, 主电路接触器吸合后电力液压推杆得电顶升, 制动器延时0.5s打开。当PLC输入模块切断动作指令后, 制动器靠弹簧压力完成整个传动单元的停止控制 (图1) , 其中制动器延时时间由PLC程序设置完成。

然而这种控制方式, 其制动器的电气控制系统一旦出现电器元件释放缓慢、卡死或粘连现象, 将造成钢水包、铁水包坠落等重大安全事故, 而地面设备和人员的安全所承受的将是毁灭性的打击。因此, 提升铸造起重机制动系统的安全性能成为安全生产的关键问题。

酒钢碳钢薄板厂炼钢连铸区域有8台冶金铸造起重机, 是炼钢、连铸工艺衔接的重要设备, 主要用于吊运铁水和钢水。由于吊运的是熔融金属, 因此要求铸造起重机的工作必须安全可靠, 甚至在一些部件损坏的情况下, 也必须保证不发生铁水包或钢水包倾翻及坠落事故。

但2008年连铸区域200T冶金铸造起重机副钩在钢渣回收作业过程中, 操作副钩下降至距地面4m位置停止时副钩突然失去控制, 直接坠落至地面。2010年炼钢区域180T冶金铸造起重机主钩吊运铁水在铁水预处理区域坐包时制动器突然失灵, 导致铁水包倾翻、洒铁, 将作业区域地面车辆严重烧损。庆幸的是两起事故均未造成人员伤亡。

连铸区域4台200T冶金铸造起重机由上海起重机厂设计制造, 原设计起升机构为双支持制动 (即工作制动) , 满足《起重机械安全技术监察规范》Q0002-2008中的规定, 但在使用过程中, 电气控制系统往往会发生一些突发故障, 导致制动器失灵事故。

2 酒钢碳钢薄板厂起重机制动器电气控制系统优化方案的制定和实施

多次类似事故发生后, 酒钢碳钢薄板厂组织相关专业技术人员通过对操作方式及电气控制元件的检查和分析后, 确定事故原因多为制动器主电路接触器触点粘连。通过进行电气控制方面的双触点优化, 可以有效遏制此类安全事故的发生。以下就以连铸区域200T冶金铸造起重机为例进行具体优化方案的论述。

2.1 起重机制动器主电路优化

铸造起重机工作环境相对比较复杂恶劣, 在高频率作业且高温、高尘的工况条件下, 电器元件的内部机构经常会出现卡死或者触点粘连现象, 如图2所示, 当制动器主电路接触器K7触点粘连后, 制动器电力液压推杆得电, 制动器处于打开状态, 钩头和吊物会因自重自行下坠。通过对原设计电路的理论分析后, 提出在制动器主电路中增加一个接触器K7*与原接触器K7的主触点串联, 而线圈并联的解决方案 (即双触点控制) , 随后经过长期的试验和不断的论证之后进行了此方案的实施如图3所示, 从而大幅度降低了制动器失灵的几率。

2.2 起重机制动器控制电路优化

仅是主电路的优化还是不能完全避免制动器失灵现象的发生, 诸如控制电路继电器卡死、释放缓慢等故障还是会导致制动器失灵, 都时刻威胁着铸造起重机的安全运行。如图4和图6所示, 如果控制制动器主电路接触器线圈的PLC继电器出现卡死、粘连等类似问题, 也将一样导致接触器K7、K7*同时得电吸合, 出现制动器失灵的现象。

所以借鉴制动器主电路的优化方式, 在控制电路中也增加一个继电器K629*与继电器K629主触点串联, 线圈并联如图5和图7所示, 这样就将整个制动器失灵的可能性进一步降低。

2.3 起升机构失去动力源后的连锁保护优化

起重机械的制动器就如同汽车的刹车一样, 一定要确保万无一失, 只有排除所有制动器失灵发生的可能性, 才能有效保证铸造起重机的安全性能。如图2所示, 控制驱动电机的接触器K1、K2在正常使用过程中如果发生线圈烧损或卡死故障后, 起升机构将失去动力源, 但制动器却任然处于打开状态, 在这种状态下钩头和吊物的重力及加速度产生的溜钩事故导致的损失后果是无法想象的, 因此在制动器控制电路中, 驱动电机接触器K1和K2的工作状态将是制动器能否保证安全可靠的决定性因素。所以将驱动电机接触器K1和K2的常开点作为状态反馈, 串联接入制动接触器K7和K7*的线圈电路中, 可以避免起升机构失去动力源后制动器任然打开导致的溜钩事故, 如图5所示。

3 起重机制动器电气控制系统优化后的效果

连铸区域4台200T冶金铸造起重机自2011年完成以上3个方面的优化后, 制动器电气控制系统运行平稳, 至今未发生过溜钩或制动器失灵等事故。此优化方案不仅符合相关的设计要求, 而且从根本上解决了起重机制动器存在的安全隐患, 让铸造起重机的制动系统更加安全、可靠。

综上所述, 优化后的制动器电气控制系统能够大大降低制动器失灵的可能性, 提高了起重机设备本身的安全性能, 有效地遏制了起重机械重特大设备、人身事故的发生, 具有较大的推广和应用价值。

参考文献

[1]杨鹤清.起重机制动器的特点及应用[J].江西冶金, 2004, 24 (6) :15-17.

[2]邸蓉.铸造起重机主起升机构紧急制动器动态制动研究[J].机械工程与自动化, 2005 (1) :61-64.

[3]马兵.PLC在铸造起重机安全制动器上的应用[J].起重运输机械, 2006 (6) :33-34.

[4]张质文.起重机设计手册[M].北京:中国铁道工业出版社, 1998.