在用行车拖动系统的改造

赵惇良， 孙 宁

(西门子制造工程中心有限公司，上海 201908)

0 引言

传统行车拖动系统多采用三相绕线转子异步电机转子串电阻起动方式，该起动方式的缺点如下:

(1)属有级调速，通过在若干条特性曲线之间切换来实现起动和调速。，整个起动过程有好几个加速段，从一条特性过渡到另一条特性时，开始加速度较高，以后逐渐减小，再过渡到第三条特性时，加速度又有类似变化，这样，在从较低速转为较高速的过程中，过渡不太平稳。

(2)经改变定子相序实现逆转和反接制动，需要用接触器或凸轮控制器来改变主电源相序。

(3)由于转差功率和反接制动功率消耗在电阻上，功耗大、效率低。

(4)机械特性软，负载稍有变化即引起转速大幅波动。

(5)日常维护工作量大，凸轮控制器、主令控制器、接触器需要定期检查和调整触头的开距、超程、压力和动作一致性;需要定期检查电阻体因长期发热引起的氧化损耗状况并调整和修复，需要定期检查绝缘部件是否正常并修复，另外还需要定期清洁电阻体表面以利散热。

1 利用变频器和PLC对行车拖动系统实施改造

采用变频器起动方式替换转子串电阻起动方式可基本消除以上这些缺点。

1．1 变频器起动方案的特点

(1)用模拟量信号做给定可实现无级调速，用开关量信号做给定可实现有级调速。即便是有级调速，也可以通过设置变频器的有关参数，使各段特性之间的过渡极为平滑。

(2)通过改变开关量信号输入即可实现逆转，而不必通过在主回路上换相来改变电机转向。

(3)由于速度的变化极为平滑，转差功率很小，只有反接制动时，位能功率回馈到直流母线，消耗在电阻上，故节能效果相当可观，效率较高。

(4)各频率下的机械特性与固有特性基本平行，硬度基本不变，抗负载波动能力很强，与固有特性相似。

(5)日常维护工作量很小，只要保持变频器进出风口清洁畅通即可。主令电器因为都是毫安级电流通断，不存在触头发热磨损的情况，所以性能变化可忽略。

1．2 改造方案

1.2.1 改造方案总体要求

(1)改造后行车操作人员无须培训，按照原来的习惯即可操作，即主要操作机构保持原来的操作方式，大车、小车仍用凸轮控制器控制，吊钩仍用主令控制器控制。

(2)改造应坚持节约原则，能用的设备尽量利用，不能利用的设备如经简单改造能利用的也要利用，如电机、保护电器和主令电器等。

(3)大车、小车和吊钩的运行最高速度与原来相同，只是起动、停止和速度转换比原来平滑。

(4)维护工作简单，排除故障容易。

1.2.2 改造方案实施内容

(1)将绕线转子异步电机改为笼型异步电机，原来的绕线转子异步电机不必废弃，而是加工，将转子回路三相滑环短接起来即可。

(2)取消大车、小车和吊钩电机转子回路的起动电阻及其起动、制动和调速控制线路，改用变频器控制线路来承担并改善这些功能。

(3)利用PLC构建新的控制线路，代替原来的继电器控制线路。

(4)凸轮控制器和主令控制器应适应变频器要求的二进制编码选择频率的数字输入接法，请生产厂家改变接点真值表方案，实质就是改变其中的凸轮片形状。

(5)改变行车原来的抱闸方式，使大车、小车和吊钩运行速度降到合适值时才合上抱闸。

1．3 变频器的选择

MICROMASTER 440属于西门子公司第四代通用系列变频器。它适用于多种调速驱动装置，尤其适用于起重机械。其额定功率范围从120 W～200 kW(恒转矩控制方式)。它具有3组开关量输出，2个模拟量输出，6个带隔离的开关量输入，2个模拟量输入，这些输入输出点均可自由设置。它具有矢量控制功能、U/f控制功能、快速电流限制(FCL)功能(避免运行中不应有的跳闸)，加速/减速斜坡特性具有可编程的平滑功能(在有级调速时，以匀加速从一种速度过渡到另一种速度)，具有内置制动单元。

MICROMASTER 440型变频器完全适合于行车负载的特点，因此决定将其应用到本行车改造中，采用矢量控制方式，实现精确的速度控制，并为此配置制动电阻，采用能耗制动方式实现了起升系统的制动。

1．4 单机控制原理

现在以小车控制为例，介绍单机控制原理，图1为用MICROMASTER 440变频器控制的电气原理图。图中SAX为带二进制编码的凸轮控制器，除用作转向和频率给定，还将小车向前、向后和零位状态送到PLC，按钮SBX用作变频器复位，变频器故障信号和运行信号也送到PLC，供PLC程序利用，KMX为抱闸接触器，RX为制动电阻;XT为抱闸;FUX为快速熔断器，用于保护变频器。

1.4.1 频率给定

因本行车拖动系统改造仍延用凸轮控制器和主令控制器操作方式，所以将凸轮控制器和主令控制器的触头按照二进制编码组合作为变频器开关量输入，以此来选择频率(电机速度)。大车、小车每个方向有5档速度，吊钩每个方向有6档速度，所以利用控制器的3个触点组成8种组合(23=8)，可以满足要求。

1.4.2 电气制动

当激活变频器能耗制动功能时，电机回馈到直流母线的能量将通过外接制动电阻转换成热能。变频器内部有制动控制装置，根据直流母线电压值超过安全值的幅度，以一定的占空比导通电子开关，以此来控制输出到外接制动电阻上的功率。

1.4.3 抱闸控制

用MICROMASTER 440变频器控制电机时，有两种类型的停车指令，一种类型(OFF2)的停车指令发出后，不管电机运行状态如何，抱闸立即合闸;另一种类型(OFF1和OFF3)的停车指令发出后，先将电源频率降低到预先设定的值，再将抱闸合闸，然后将电源频率降低到零。起动时，将电源频率从零提高到预先设定的值，再将抱闸松闸，将电源频率升高到希望值，此均由一个可编程的开关量输出信号控制抱闸接触器执行合闸动作。

1.4.4 撞限位停车

用原来的控制方式，运动机构撞到限位后，整个行车的主回路电源都将中断，不能执行任何操作，而且，要恢复供电，必须使所有的运动机构重置零位，才能重新送电。由于变频器控制的灵活性，用现在的控制方式，运动机构撞到限位后，只停止撞限位机构的运动，不会中断主回路电源，而且，反方向运动完全不受影响。实现的方法是，设置变频器的一个开关量输入为外部信号触发跳闸，再把撞限位信号与运动方向信号加到这个开关量输入端。当运动机构以某一方向撞到限位停车后，反方向操作控制器即可解除变频器跳闸信号。

图1 单机控制原理图

1．5 控制系统的构成

采用变频器的行车主回路原理图如图2所示。供电部分由断路器和接触器组成。断路器用作行车控制装置的保护电器，担任行车控制装置总过载保护和短路保护。接触器用作行车控制装置的总电源控制开关。

小车、大车和吊钩各有一套变频驱动线路，用以控制各自的拖动电机。每套线路各含变频器一台、变频器保护用快速熔断器三个、制动电阻一个、抱闸接触器一个。其中大车线路两台电机用一台变频器驱动，两个抱闸也用一个接触器控制。

每套线路还含凸轮控制器一个(小车、大车)或主令控制器一个(吊钩)，用以控制各机构的运动。一个按钮用于变频器故障跳闸后的复位。

三套变频驱动线路由一路控制电源(含一个整流电源)供电和保护。

总控制由一个PLC承担，其任务包括:运行状态信号和故障信号的采集、处理和发送、总电源控制、运动机构碰限停车指令。

1．6 总控制原理

在通电以前，操作舱门、横梁栏杆上的两扇门必须关上，防止在电源没有断开的情况下，人从操作舱走出，或者人走出栏杆，来到滑触线附近，发生人身触电事故。另外，为避免通电后运动机构突然起动而产生冲击造成事故，必须在通电以前将所有的凸轮控制器和指令控制器放到零位。

小车向前(向后)如果碰到限位开关，将使变频器跳闸，使小车停止继续向前(向后)。但这时改变运动方向，起动和运动将不受影响。大车和吊钩的控制也具有相同的功能，只是吊钩仅设有向上的限位开关。

为了使操作人员了解相关状态，行车控制装置操作盘上装设了通电状态、各运动机构运动位置、运动方向、变频器故障等指示灯。并且为了确保不因指示灯偶然失效导致错误信息发出，设置了试灯线路，当按下试灯按钮时，所有指示灯均亮起，哪个失效便能一目了然。

图2 采用变频器的行车主回路原理图

2 结语

本改造方案是对在用设备的改造，原则是保持改造前的操作方式，同时要厉行节约，尽量利用原有电器设备，新类型电器设备的选用也应掌握尽量降低改造成本的主旨，评价时应充分考虑到这些因素。本改造方案在以下方面取得了明显收益:

(1)优化动态性能。改造前，由于转子串电阻致使电机机械特性软化造成转速不稳定，改造后，电机机械特性由具有基本恒定转差率的平行特性取代，特性硬度与固有特性硬度相似。改造前，由于切换电阻产生不可控加速度造成机械冲击，改造后，各档速度之间都可设置平稳过渡段，大大降低了机械冲击的强度。

(2)降低功耗。改造后，小车、大车和吊钩的起动、调速、停车和转向时的转差功率损耗有了极大的降低，改造后的功率损耗主要产生在吊钩的位能负载下降时的能耗制动上。

(3)降低故障发生率。改造前，由于控制线路复杂，导线连接点多，大电流触点多，造成故障多。改造后，应用PLC，导线连接点少，调试简单，可靠性增加。主回路应用变频器，无大电流触点。

［1］顾绳谷.电机及拖动基础［M］.北京:机械工业出版社，2007.

［2］张质文，虞和谦，王金诺，等.起重机设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1997.

［3］喻士林，吴健雄，竺子芳.电气传动自动化技术手册［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［4］西门子电气传动有限公司.MICROMASTER 440使用说明书［G］.2006.