【关键词】PLC 变频 桥式起重 应用
桥式起重机（又称行车）在工业生产中应用十分广泛,目前大多数桥式起重机的电力拖动系统,仍采用传统的继电控制,即在转子回路串入若干段外接电阻并配合使用控制器、接触器等电器进行控制,实现绕线式三相交流异步电动机启动和调速。桥式起重机的大车行走、小车行走及升降、开闭机构在运转过程中,其阻转矩基本不变,可看作为恒转矩负载。重物上升时,电动机克服重力做功,属于阻力负载;重物下降时,当重力大于传动机构的摩擦阻力时,重物的位能成为下降的动力,电动机处于再生制动状态,此时重物属于动力负载。传统的拖动系统及电动机转子串电阻继电控制原理如下图所示:
（1）设备故障率高。因工矿企业工作环境差,粉尘、腐蚀性气体等对电机集电环、电刷及接触器等的磨损、腐蚀较大,电机集电环、电刷及接触器等在传电、受电或断电时也会产生电火花,因此在频繁工作过程中很容易出故障或烧损。
（2）控制线路复杂。电机调速级数越多,需要接入的接触器就越多,控制线路就越复杂,排除故障就越困难。
（3）热功率损耗大。属能耗启动、调速、制动,转子回路串入电阻后,电机损耗功率以热能形式释放,能量不能回收。所串电阻长期发热。电能损耗、浪费大,效率低。
（4）机械特性曲线分。线绕式异步电动机的转子回路串入电阻后,其机械特性如下图所示。
因转差变大,机械特性变“软”,在负载转矩TL不变的情况下,拖动系统的工作点由A点移到B点,转速由n1降为n2。其定子电磁输入功率分配情况如下:
①电磁输入功率为:Pi n = TL·n0
②电机输出功率为（曲线②）:Pout = TL·n2
③电机损失功率为（曲线②）:△P = TL·( n0- n2 )
如上图所示,①、②号曲线分别为线绕式电机转子回路串入电阻前、后的机械特性曲线。在电机转子回路串电阻调速属转差调速,图中阴影部分表明电机在串入调速电阻后,其功率损耗增大许多,且机械特性偏“软”,电机驱动能力明显下降,负载变化时、转速也变化,调速范围小,调速效果差、平滑性差。
（5）手柄有级逐档变阻调速方式,换档过程速度变化大、中间速不稳定,机电冲击大,影响电机、电器、减速机、连轴器、钢丝绳等的使用寿命。
（6）电阻器元件属发热元件,容易出现发热松动、高温变形、过流烧断、元件碰触（短路）、绝缘损坏（接地）等故障时有发生。
（7）制动器制动是在运动状态下进行的,对制动器损害很大,闸皮磨损严重。
PLC变频调速优点如下:
（1）可实现平滑无级变速,与原有串电阻调速方式比较,变频调速启动更平稳、相当于无大的冲击负荷,延长了机械设备的使用寿命。
（2）由手柄转速控制器来控制变频器的输出,调整电机转速,与原操作方式一致,操作员可迅速熟悉新设备的操作。
（3）变频器调速的一个显著优点就是在调速的同时能够调整供电电压,使电机的机械硬性基本保持不变。实现了变频器在零速时的满转矩输出（最高可达到额定转矩的300%）和内部集成的抱闸逻辑控制,提高了系统应用的可靠性。
（4）去掉了调速电阻,可节约大量电能。根据绕线型电机的串电阻调速负载特性,可以计算出当电机转速下降到其额定转速的50% 时,采用本产品节电率将达到35%,一般情况下节电率为25%～45%。具有显著的节电效果,且效率极高。
（5）可实现电机软启动,改善了电机启动状况。电机在满转矩启动的情况下,启动电流被抑制在150%IN之内。大大降低了电机的启动电流,延长了电机的使用寿命。降低了系统对电源容量的要求,节约了成本。
（6）系统具备丰富的监测、保护功能(如过压、欠压、过流、缺相、漏电等),改善了电机的运行条件,提高了设备运行的可靠性。
（7）取消了原来的调速电阻和正反向接触器,精简了电路、减少了故障点及故障机、降低了成本损耗。
（8）系统调速范围大,负载特性好,具有极高的速度控制精度,有利于运行定位。系统可对吊装物品的位置进行精确定位,操作员无须再如以前经常对电机采用反接制动,延长了电机的使用寿命。(www.xing528.com)
由于桥式起重机需要在重载之下完成频繁的起动、制动、反转、变速等操作,还要求有一定的调速范围,而传统的串电阻调速和继电控制方式由于性能太差,无法达到更完美的效果,在科学技术和生产力高速发展的现代化生产中呈现出越来越明显的局限性,因此对这种落后的控制方式的改进十分必要。随着电力电子技术的飞快发展和软件技术的成熟,变频器的安全性能和可靠性等都有了很大的提高和保障,PLC和变频调速技术在桥式起重机上应用已变为可能。在桥式起重机上应用PLC和变频调速技术,可实现桥式起重机升降、开闭、小车、大车运行的无级调速,完全可满足软启动、软停车、无冲击、平滑无级调速等要求,还有效降低系统的能耗及维修、维护的成本,延长设备的使用寿命,并极大地提高了系统运行的安全性和精确性。
系统工作原理框图如下图所示:
控制回路电气原理图如下图所示:
逻辑控制梯形图如下图所示:
桥式起重机的升降、开闭、大车、小车电机分别用四台变频器拖动;抓斗的升降、开闭电机由绕线式电机改为鼠笼型电机;大车、小车电机可保留使用,但需将转子引出线短接、并去掉集电环和电刷,增加冷却风机;为确保安全和可靠,防止因停电、变频器掉闸或制动单元失灵而导致抓斗突然坠落而出现危险,原有机械制动器仍保留;电机外壳需可靠接地。
桥式起重机的变频调速电力拖动系统主要由控制器、PLC和变频器及制度动单元等组成。其控制系统包括:大车的前、后行走及速度档;小车的左、右行走及速度档;抓斗的升、降,开、闭及速度档等。操作室联动台上分别设有大车、小车、升降、开闭等机构的控制器。首先由控制器通过PLC来控制变频器工作,其次再由变频器拖动升降、开闭、小车运行、大车运行等机构的传动系统,完成工作过程。控制指令,由联动台控制器给出,经PLC运算后向发出变频器工作信号,变频器接到工作信号后就输出相应的动作信号:上升、下降、打开、关闭、加速、减速。各机构制动器的打开,由变频器输出继电器信号经PLC逻辑运算后驱动制动器的电源接触器,使制动器动作。变频器内部保护功能有:短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能。当变频器出现短路、过流等故障时,变频器发出故障信号输入PLC,并中断输出,PLC接到故障信号后,切断变频器电源,向制动器发出制动信号,并发出报警信号。升降、开闭机构除了变频器内部有保护功能外,线路还设置了下列保护:①零位保护:由控制器零位触点实现;②限位保护:由高度限制器实现;③线路设有低压断路器作为短路保护。这些都可以通过变频器可编程控制器实现无触点、无火花控制。
从我单位2008年某台桥式起重机改造后运行来看,取得的效果非常明显。主要表现为:
（1）桥式起重机的启动、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。
（2）系统运行的开关类电器元件实现了无触点化,使用寿命延长。
（3）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。
（4）制动器在低速时动作,其刹车闸皮的磨损很小,使用寿命延长。
（5）降低了对电网的冲击。
（6）节约能源,变频调速的启动、制动、加速、减速等过程中,电机运行电流小。以本案来讲,节能可达30%左右。该项目投资总费用为14 万元,2008年9月改造完毕,投入运行。经同期对比,在生产工况相同的情况下,改造后的电耗和维修费用比改造前每月下降约3000 元,4年左右的时间就可收回投资。
（7）结构简单、可靠性高的鼠笼式电机取代了绕线式电机,避免了因集电滑环、电刷磨损或腐蚀引起接触器不良而造成电机损坏或不能起动的故障;交流接触器的数量减少16个;电阻器取消了。电路减化了、故障降低了。
（8）对机械的冲击小了,使用寿命延长了。
通过技术改造,不仅提高了桥式起重设备安全运行时间,电气控制线路简单、故障容易排查。使工作劳动维修强度大幅降低、能耗降低。因此,变频调速技术在桥式起重机上的应用值得推广。
[1]黄济荣.《电力牵引交流传动与控制》.北京:机械工业出版社1998年出版.
[2]朴金城.《电气变频调速设计技术》.北京:中国电力出版社2001出版.
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[4]俞国亮.《PLC原理与应用》.北京:清华大学出版社2005出版.
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