变频控制技术提升120t桅杆起重机的架桥效率

郑席晖
（中铁武桥重工股份有限公司电气研究所，湖北 武汉 430052）

[收稿日期]2007-12-11 
[通讯地址]郑席晖，武汉市汉阳区鹦鹉大道448号

武汉天兴洲长江大桥为公铁两用桥，位于长江二桥下游9.5km处，正桥全长4957m，其中南汊主桥为主跨504m的双塔三索面的斜拉桥，在我国实现了公铁两用大桥主跨从300m到500m级的飞跃。大桥上层为公路，按6车道公路设计，公路时速80km；下层为铁路—2线I级铁路干线和2线铁路客运专线，铁路客运专线设计时速超过250km，为我国第一座能够满足高速铁路运营的大跨度斜拉桥。该桥可承载2万t的载荷，是世界上载荷最大的公铁两用桥。

大桥建设规模宏大，技术含量高，设计施工采用了多项新技术和新工艺，如主梁首次采用了三主桁板桁结合钢桁梁。针对建桥的新技术和新工艺，研制了一批建桥装备用于大桥建设，这批设备的电气控制方面也运用了多项新技术，本文就该桥使用的120t桅杆起重机的电气系统作一介绍。

钢桁架设常规做法为逐根杆件安装，但武汉天兴洲长江大桥工期非常紧，采用杆件安装的方法，桥上工作量大，质量保证措施复杂。为减少桥上工作量、缩短工期，采用整节段加局部散拼装方案。全桥共78个节段，其中整节段吊装为52段，其余节段散拼。

受空间及起重能力的限制，墩顶起步节间钢梁架设无法使用整节段提升架设，只能采用杆件散拼办法。施工方案采用水上120t桅杆起重机在墩旁支架上逐根逐节拼装，辅以纵移措施完成墩顶4个节间钢梁的安装。墩顶4个节间安装完成后，再利用120t桅杆起重机拼装2台700t架梁起重机，后续节段用该机直接从运输船上整节段提升安装。

2.1　电力驱动系统

该机的电力驱动系统中的主起升系统、变幅系统和回转系统均采用变频驱动方式，选用日本安川系列变频器。电气系统框图如图1所示。

（1）主起升机构驱动。

图1　电气系统框图

主起升机构驱动采用了1台YZLF280M-6型变频电机，功率为75kW，由1台变频器控制。变频器选用日本安川公司G7系列CIMR-G7A4110型，其速度初步设定为20%、50%和100%的额定速度（可根据现场情况调整速度）。

（2）变幅系统驱动。

变幅机构驱动采用了1台YZLF280M-6型变频电机，功率为75kW，由1台变频器控制。因主起升机构的电机与变幅机构的电机型号相同，且主起升机构和变幅机构不需要同时动作，故采用与主起升机构共用1台变频器的方式，变幅机构电机设为第二电机参数。

（3）回转机构驱动。

回转机构驱动采用了2台YZLF200L1-4型变频电机，功率为30kW，由1台变频器来控制。变频器选用日本安川公司F7系列CIMRF7B4075型，其速度初步设定为20%、50%和100%的额定速度（可根据现场情况调整速度）。

2.2　电气控制系统

系统的控制部分采用西门子S7-200系列可编程控制器来实现，替代传统的继电器控制，具有控制先进、可靠性高、编程和修改方便等特点。LLC是整个调速系统的核心，负责对系统所有的输入、输出控制点和运算的控制，同时LLC具备强大的故障诊断和判断功能，能够准确可靠地监控系统运行，并负责与人机界面的通讯。

该机LLC的中央处理单元型号为CLU224，另有1台数字量16输入/16输出扩展模块，型号为EM223，1台数字量8输入扩展模块，型号为EM221。LLC的输入控制点输入电压为DC24V，输入信号包括：主令控制器信号、各变频器故障及制动信号、各限位开关信号、安全信号（如超载信号和大风报警信号）。LLC的输出控制点输出电压为AC220V，输出信号包括：变频器控制端子信号、各制动信号、报警信号。

3.1　变频器在主起升/变幅系统中的应用

（1）变频器的选用。

变频器应满足起升系统的运行特点，即具有高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和制动顺序控制等功能的高性能工程型变频器，并且带有针对起升机构的起重控制板。起升系统的惯量较小，负载变化较大，属于位能性负载。为了获得快速的动态响应，实现对转矩的快速调节，获得理想的动态性能，故采用矢量控制方式。因为现场不需要较大的调速比，所以选用矢量开环控制方式。

（2）变频器控制。

采用端子控制方式，LLC的输出指令通过中间继电器传递给变频器的外部控制端子，通过外部端子闭合的组合，控制变频器输出的频率和电机的正反转。变频器接线电路如图2所示。

图2　主起升/变幅系统变频器接线图

如图2所示，主起升电机和变幅电机共用1台变频器，平时交流接触器KM11处于闭合状态，KM12处于断开状态，主起升电机接入变频器；当变幅机构工作时，首先KM12闭合、KM11断开，此时变幅电动机接入变频器，同时，变频器外部端子S10和SC闭合，给变频器第二电机参数信号，变频器按第二电机参数工作。

中间继电器K1闭合时，为起升/减幅工作，K2闭合时，为下降/增幅工作；K1闭合而K2断开时，为1挡速度，K1断开而K2闭合时，为2挡速度，K1和K2同时闭合时，为3挡速度。因该变频器是专门针对起升机构的，所以对制动时序要求很严，需要外部给予制动的确认信号，这个信号由电机所带制动器的控制接触器辅助触点来提供，当控制制动器的接触器闭合时，S5和SC导通，即为制动确认信号。

变频器还有2个输出信号，给LLC作为输入信号。当变频器开始工作时，先检测转矩是否建立，检测到转矩已建立、可以打开制动器时，则图2的M1和M2端子闭合，输出制动打开信号给LLC，控制制动器打开，开始运行。当变频器运行出现故障时，MA和MC端子闭合，输出故障信号给LLC，后者输出停止指令，让机构停止运行，并且发出报警声，以提醒操作人员注意。

为提高工作效率，该机还设置有空钩快速功能。电机在3～50Hz范围内运行为恒转矩运行，在50～100Hz范围内运行为恒功率运行。针对现场工况和负载特点，设计上考虑了恒功率运行时特点，设置了空钩快速状态下（由载荷传感器和司机室的选择按钮来确认），变频器可输出的最高频率为75Hz，使其运行速度最高可达150%的额定速度，提高了效率。

3.2　变频器在回转系统中的应用

（1）变频器的选用。(www.xing528.com)

回转机构由于惯量较大，负载变化相对较小，基本上属于阻力性负载，采用V/F开环控制方式就可以满足要求。

在V/F开环控制方式下，1台变频器可以同时驱动几个并联的电动机工作，所以，采用1台变频器同时驱动2台回转电机的方式。

（2）变频器控制。

也采用端子控制方式，LLC的输出指令通过中间继电器传递给变频器的外部控制端子，通过外部端子闭合的组合，控制变频器输出的频率和电机的正反转。变频器接线电路如图3所示。

回转机构变频器的端子控制与主起升/变幅机构变频器的端子控制方式基本一样，只是由于变频器不是针对起重系统的专用变频器，没有制动确认信号，也没有第二电机参数的设置，其他如外部端子的组合和空钩快速功能等都与主起升/变幅系统的变频器相同。

3.3　再生能量的处理

当主起升/变幅机构拖动位能性负载下放或回转机构减速时，异步电动机将处于再生发电状态。变频器逆变器中的6个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要措施，当中间直流回路电容升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。一般对连续再生能量的处理有以下两种方案：

（1）在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗，这种方法称为动力制动。

（2）采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种形式称为回馈制动。

根据该机的特点，采用了动力制动方式，这种方式控制简单、成本低，只需选取合适的制动单元和制动电阻。

图3　回转系统变频器接线图

（1）机械制动控制。

当变频器接收到起动命令后，在收到转矩验证成功且没有停止命令时，经过设置的制动松开延时时间后，变频器输出制动开启信号，制动器松开，反馈的制动确认信号正常开启后，变频器升高输出频率至设定值。当变频器接收到停止命令后，先电气制动，当速度降为零后，变频器撤去机械制动开启信号，机械制动器抱紧电机轴。

（2）转矩验证。

在松开机械制动器和开始提升传动之前，确认电机能够产生转矩。如果转矩验证成功，则表示电机的输出转矩达到了要求，允许机械制动器松开，开始起动程序。

通过以上方式实现制动顺序控制，有效地防止了“溜钩”的发生，为安全作业提供了保障，也减轻了制动器的磨损。

（3）机构的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，减少了负载波动，安全性大幅提高。

（4）电动机运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。

（5）由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。

[参考文献]

[1]潘东发，李军堂，马涛.武汉天兴洲公铁两用长江大桥I标段总体施工方案研究[J].桥梁建设，2007，（1）：10-15.

[2]段苏振.交流变频调速技术在门式起重机中的应用[J].电气传动，2005，（1）.

[3]段苏振.交流变频调速的电气制动方式[J].机床电器，2004，（3）.

Application of frequency converting control technology to 120t derrick crane for bridge-erecting

ZHENG Xi-hui

[中图分类号] U445.36

[文献标识码] B

[文章编号] 1001-554X（2008）04-0098-03