桥式起重机变频改造通用方案的设计与实施

丁高耀

（宁波市特种设备检验研究院，浙江 宁波315048)

桥式起重机大量应用于冶金、机械、化工、轻工、纺织和建材等广泛领域，对工矿企业提高生产效率和产品质量起到重大的作用。传统的桥式起重机其电机拖动以转子串电阻调速方式为主，综合性能指标较差，在起动电流时容易对电网造成大的冲击。起重机常在额定速度下进行机械制动，存在着对起重机的机构冲击大、功率因数低、线路损耗大、总体故障率较高、现场维护量较大等缺点。广大起重机使用单位都尝试对电机的拖动方式进行改造，通过运用交流变频调速技术来改善起重机调速性能，从而达到节能和减少故障率、增加使用安全程度的效果。

如何快速有效地在原有起重机的系统配置下，制定一套行之有效的改造方案，使桥式起重机变频改造既省时间和费用，又能达到预期的效果，是我们广大起重机械施工、使用单位一直摸索和追求的方向。为了方便各施工单位迅速掌握桥式起重机变频改造的流程及要点，我们通过对某公司一台铸造起重机的实施变频改造，总结相关技术经验，制定以下桥式起重机变频改造通用方案，供各施工单位及使用单位借鉴。

1 改造依据

改造的依据主要根据以下两部分进行：

（1）根据起重机使用技术条件，包括用途、环境条件、基本参数性能要求。

（2）依据相关技术标准：GB6067.1-2010《起重机械安全规程 第1部分：总则》、GB/T3811-2008《起重机设计规范》、GB/T14405-2011《通用桥式起重机》、GB5226.2-2002《机械安全机械电气设备第32部分:起重机械技术条件》、GB/T12668.2-2002《调速电气传动系统第2部分：一般要求低压交流变频电气传动系统额定值的规定》、GB/T21972.1-2008《起重及冶金用变频调速三相异步电动机技术条件第1部分：YZP系列起重及冶金用变频调速三相异步电动机》等。

2 改造流程

整个改造过程主要分为三个阶段。第一为变频控制系统设计阶段，其首先应根据改造的实际情况设计出起重机变频调速及控制整套传动原理图；然后对主要电气设备及部件进行设计及选取，其内容主要包括先确定总配电柜、各机构控制柜和操纵台功能及数量，再具体对各机构应配置的电动机、变频器、PLC、制动单元及制动电阻等主要电气设备进行设计和选取。第二为电气设备及部件采购阶段，根据设计的参数、功能及数量，联系合适的电气元器件供应商。第三为现场施工及调试阶段，首先拆除原有不再利用的电器系统，电动机如仍使用的应进行保养或更换变频专用电机，再安装配电柜和各机构控制柜，包括控制柜中的变频器安装，然后对其他电气设备和电器元件进行安装，并布线连接；安装完毕后设定变频器和PLC的参数；最后通电空载和重载调试。具体改造流程图见图1。

图1 变频改造流程图

3 控制系统设计

3.1 电气传动原理图设计

一般老旧桥式起重机均采用绕线式切阻电机，吨位小的常采用凸轮直接控制系统，电动机启动、停止、加速等均由凸轮器中的触点直接来完成，整台起重机没有各机构专用控制屏（无中间接触器）；而吨位较大起重机常用主令控制系统，通过主令控制器的操纵来控制接触器吸放，故各机构均配有各自的专用控制屏。

变频起重机的电气传动控制系统主要由变频器、可编程序控制器控制系统和操作台组成，通过PLC控制系统处理联动操作台的速度给定信号，调节变频器的输出相序和频率来控制驱动电机的方向和转速，取代原来的传统绕线型转子串电阻调速驱动系统。变频改造后的主起升机构线路一般如图2所示。

图2 改造后主起升机构线路图

主起升机构电机由一台专用变频器拖动，通过配编码器实现闭环矢量控制，变频器所有的指令均由PLC输入，为使电气制动平衡及下降工况发电制动散热迅速，在变频器中配置制动单元及制动电阻箱。

大、小车只用一般的变频调速U/f控制即可，所以大车两边的两台相同型号电动机只用一台变频器拖动，只要变频器的容量足够就没问题。

3.2 主要电气设备、部件选取及更换

（1）总配电柜

因采用PLC控制，一般应更换总配电柜。总配电柜可以很方便地实现电源断错相、短路、过载、各机构极限位置、门联锁、超速、紧急停止等保护，并实现超载报警动作等功能。

（2）机构控制屏

改造好各机构变配控制屏，一般起升机构为单独设置，大小车运行机构根据变频器配置的大小，可以采用一个控制屏或二个屏分开设置。

（3）操纵台

变频调速配套的操纵台，如原为主令操纵台，并且档位（一般为五档）满足要求，可以保留；如原为凸轮操纵装置，应更换为主令控制器。

（4）各机构电动机

起升电动机由于绕线式电动机的电气特性差，在慢速运行时有大量的能量产生，由于绕线式异步电动机散热风扇是一体的，在低频率运转时达不到散热效果，所以要在每台电动机上加一台单独控制的微型轴流风机，以达到一定的散热效果，以避免电动机长时间低转速所产生的高温现象。建议：选配YZP系列起重变频调速专用电动机，该电机配冷却风扇；新购置的电机功率可以参照原电机的功率，大小车电机由于没有位移负载，可以采用原来的绕线式电机，只要短接绕线式电机转子上的电阻即可。

（5）各机构变频器

1）变频器控制方式的选择

由于起重机机构多为恒转矩负载，故选用带低速转矩提升功能的电压型变频器。大小车机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载，故大小车选用U/f开环控制方式的变频器；起升机构惯量较小，负载变化大，属于位能性负载，为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，通常采用矢量控制方式，采用闭环矢量控制方式可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。

2）变频器容量的选择

变频器容量的选择是以电动机的额定功率为依据的。由于绕线转子异步电动机与通用或其它异步电动机相比，其绕组的阻抗较小，因此使用变频器调速时应考虑滤波电流引起的过电流跳闸情况，同样功率下的电动机，绕线转子异步电动机额定电流往往较大，所以选择时应考虑一定余量。虽然起重机升降机构的转动惯量很小，加速时间较短，但考虑到电网电压波动的因素，以及对起重机1.1倍动载荷检测要求等因素来选择起升机构电动机的变频器容量。大、小车运行机构属于大惯量负载，其加减时间一般不超过20 s，变频器的短时过载能力为150%，不同的加速时间对变频器容量的计算不同，当加速时间大于2 min时，变频器功率选择应放大些，以此来选择大、小车运行机构电动机的变频器容量。

（6）制动单元和制动电阻的选择

当电动机处于反接制动或再生制动状态，变频器内直流电路储能电容两端的电压将升高，为避免电压过高而使直流过压保护动作，必须将这部分能量回馈至电网或增设制动单元及制动电阻以释放这部分能量。厂商提供与变频器容量相配套的标准外接制动单元。大车、小车、主副升、降制动单元均选用与变频器容量相配套的标准外接制动单元。大、小车、主副升、降制动电阻均选用国产变频器专用制动电阻器。

（7）PLC的选用

根据改造后桥式起重机控制系统的现场输入，输出信号的数量及作用，结合改造要求及应用习惯选择PLC型号规格。桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行及速度换档，小车的前、后行及速度换档，主、副钩的升、降及速度换档等。保护功能有：主、副钩上升限位、下降限位，大车限位、小车限位，主副钩及大小车电机的保护等。这些都可通过PLC进行无触点控制。通过确定输入与输出信号的数量从中选取I/O模块的长度，如原来是PLC控制，改造后其输入输出点增加，也可以采用附加扩展模板的形式。

（8）变频器参数设置要点

1）主令控制器的档位，实际上是控制电机频率，一般采用50-40-30-20-10-0-10-20-30-40-50 Hz控制方式，也可根据用户实际需求，重新设定速度的变化值。

2）桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制，在电磁制动器抱住之前和松开后的瞬间，极易发生重物由于停止状态下滑而产生溜钩现象。在这个问题上，主要用变频器运行参数设置与变频器的制动单元、制动电阻和液压制动器的配合而达到完美的效果。

3）自动转矩提升设置，在调试过程中适当地提高中频电压可以改善低频特性，从而提高启动转矩；提高零频电压可以加大直流励磁，使电机保持足够大的转矩防止溜钩。

4）变频器的加减速时间设置为3～6 s比较合适，时间太短，容易出现过流现象，时间过长，不容易吊物定位。停车方式应设为减速停止。减速时间3 s表示从50 Hz减速到初始频率的时间。

4 现场施工

（1）拆除原有电器系统。拆除原有系统包括：拆除原有的电气保护柜，拆除原有操纵台，拆除原有起升机构电气控制系统，拆除原有大小车机构电气控制系统。

（2）原电机部分检修工作。检修工作包含：检查电机绕组部分的绝缘情况，检查电机轴承并加油。

（3）变频器的安装。变频器的安装主要包含：起升机构变频柜安装及接线，大车运行机构变频柜安装及接线以及小车运行机构变频柜安装及接线。

（4）新配变频调速操作台接线。

（5）进行整机变频调速系统的单元调试工作。

5 结束语

根据相关技术条件及标准对桥式起重机变频改造流程进行了拟定，提出其控制系统设计方案，对主要电气设备、部件选取和更换，变频器参数设置时的注意事项进行了总结。最后，设计出具体施工步骤，确保实际变频改造工作的顺利开展。