浅谈电机系统的改造

浦金标

摘 要：在实际生产过程中往往需要进行大型设备的组装、拆卸、装运等。这些设备不论从体积到重量都很大，所以需要大型的起重机对其进行搬运，桥式起重机俗称天车是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备。桥式起重机由小车、大车组成、主钩为提升机构。桥式起重在生产过程中有着重要应用。

关键词：触摸屏；PLC；变频器；桥式起重机自动控制

0 引言

桥式起重在控制系统中，采用转子串接电阻的调速方式。由于工作环境恶劣，对电动机和接触器破坏性较大，加上工作任务重，实际过载率高，冲击电流偏大，容易造成电动机烧损、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障。针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用先进的触摸屏技术，PLC，和变频器技术，以程序控制取代继电器、接触器控制。交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的自动化控制。

1 系统概述

桥式起重机结构示意图

大、小车组成运行机构，主钩为提升机构。大车为双梁结构，分别由两台电动机M1、M2拖动，两台电机容量都为4KW并联运行。小车由一台电机M3拖动，容量为2.5KW。起重机升降的电动机由一台电动机M4驱动容量为13KW。四台电机共用一台较大的变频器（15KW）供电，

系统组成框图

触摸屏采用台达触摸屏。可编程序控制器（PLC）选用德国西门子S7-200系列可编程序控制器。用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。此方案，变频器选用安川品牌变频器。采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05～1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。 I1nv≥（1.05～1.10）In或（1.05～1.10）Imax 式中I1nv--变频器额定输出电流（A）；In-电动机的额定电流（A）；Imax--电动机实际最大电流（A）。大车小车行走是一般的负载，因此采用安川系列和安川系列变频器驱动。对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动。而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。根据实际情况，经过与同类变频器的性能与价格及售后服务等方面的综合考虑，变频器选用安川公司高性能矢量控制变频器。

安川变频器采用目前国际先进的矢量控制方式，通过对电机励磁电流和转矩电流进行解耦控制，实现转矩的快速响应和准确控制，能以很高的精度进行宽范围的调速运行。

2 控制要求

采用人机界面控制。调速方法，采用目前国际先进技术具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，可分为三段速。起重机挂钩能到车间内任意点，并且可以长时间停留。即大车可以前后移动，小车可以左右移动。主钩安装在小车上用来提升重物。

制动方式采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到指定点；对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

起重机的电源为380V，由公共的交流电源供给，由于起重机在工作的时候是经常移动的，并且大车与小车之间、大车与厂房之间都存在着相对运动，因此，要采用可移动的电源设备供电。要求采用滑触线和集电刷供电。三根主滑触线是沿着平行于大车轨道的方向敷设在厂房的一侧。三相交流电经由三根主滑触线与滑动的集电刷，引进起重小车内部。

3 控制原理

通过对触摸屏的控制，来决定PLC 的输出状态。本系统为三段速，大车小车主钩共用一个变频器。通过 PLC 对接触器的输出控制来决定哪一个工作。三者之间彼此联锁，当按下启动按钮时主接触器 KM 接通系统上电，这时可以对触摸屏进行操作。

因为大车、小车、主钩只能有一个工作所以触摸屏设置大车、小车、主钩启动按钮同时又起到显示工作状态的作用。按下启动按钮灯亮同时VB1寄存器对应输出一个信号来接通接触器来控制电机。停止按钮为大车、小车、主钩共用，按下停止按钮后控制大车、小车、主钩的接触器断开同时向VB0传送0。

当遇到限位开关时停止运动但可以进行相反的操作，例如操作者按大车前二档遇到前限位开关时它的常开触点断开使大车不能向前，同时传送0到VB0使其停止，该程序每一次工作只有两步即先控制接触器的输出 （VB1状态），然后每次选择不同的档位就向VB0 传送不同的数值使变频器控制接触器得到不同的转速。

4 桥式起重机采用触摸屏PLC变频调速的特点

采用触摸屏PLC变频器以后各方面性能都明显提高。由触摸屏控制可以节省PLC输入点使其成本降低。由于有两个页面，第一个设置密码所以非操作人员不能进入，操作起重机。从而减少事故的发生，人不用在小车里进行操作而是和起重机分开，减轻小车的负载。原来的起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。

起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件—交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。变频器调速控制系统的保护功能强 变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式。

采用PLC，和变频器系统可大大简化，可靠性大为提高。变频器节能效果十分可观绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。而PLC积小，结构紧凑；丰富的硬件资源，高执行速度；强大的组网功能功能强大的用户指令集，独特的抗干扰设计，重要数据的掉电保护功能，适应恶劣现场环境。PLC 按控制程序、输入控制信号来完成起重机各种工况的协调，并决定起重机的各种工作状态。系统软件设计采用 PLC梯形图语言来编程完成，用 PLC控制工作可靠，扫描速度快，控制非常灵活。

参考文献

1、刘介才主编.电机原理与拖动.北京：工业出版社. 2002

2、张迎新主编. 变频技术.北京： 电子工业出版社. 2002