解析变频器和PLC 在大型起重机控制中的应用

肖钬鑫

（江西省特种设备检验检测研究院，江西 南昌 330096）

大型起重机目前正在很多行业领域得到了广泛应用，但大型起重机的运行环境都比较复杂或恶劣，为保证起重机运行的安全性与可靠性，对起重机控制就提出了很高的要求。然而，传统控制方式存在起动转矩相对较小和调速范围很窄等问题。近几年，电力电子技术得到了很快发展，变频调速在很多场合都得到了一定应用，发展速度很快。现以某厂为例，对其大型起重机的变频改造做如下深入分析。

1 系统介绍

系统结构如图1 所示，以现场的使用要求为依据，起重机采用S7-300PLC 直接控制，同时，配备ACS800 变频器，利用制动单元减少能耗，并保护所有电器元件。操作人员采用凸轮为PLC 发出控制指令，PLC 根据程序指令对变频器进行控制，完成各类操作。驾驶室中还设有液晶显示屏，能保证操作人员实时了解故障情况。该系统利用自带模块实现连接建立。变频器的输出频率可以伴随信号的改变而变化。对于起重机的主副钩，其起升变频器将模拟量给定与数字量控制充分结合到一起，而大小车则采用数字信号来控制与给定，使起重机得到最佳控制。

图1 系统结构示意图

通过对以上系统的使用，能有效解决下列问题：

（1）转子回路需要与电阻相串接，消耗额外的电能，导致能源浪费。

（2）采用有级调速，对设备运行造成影响，使运行不稳定，还会引起电气冲击和机械冲击。

（3）在再生发电过程中，电网受到机械能的反馈，导致电网的功率因素降低，特别是在供电馈线长度相对较大的情况下，需要更多的投资用于供电线路及变压器。

（4）对接触器进行频繁的投切，导致触头被电弧烧伤，缩短其使用寿命，增加维护和维修方面的成本。

2 器件选择

2.1 电动机

对于电动机，其额定功率采用以下公式计算得出：

式中，P 表示额定功率，单位：kW；PG表示起重负荷，单位：N；K 表示增容系数，在1.01 ～15 的范围内取值；v 表示起升速度，单位：m/s；m 表示电动机的个数η表示机构总效率。一方面，要使起升机构达到额定负载的1.25 倍；另一方面，则要可以承受电压波动造成的影响。基于此，电动机实际输出转矩必须达到负载力矩的两倍。

2.2 变频器

变频器需要具备下列几种功能：有较大的起动转矩，一般要达到额定转矩的两倍以上，且抗冲击性能强，闭环控制，所用多段控制方式可以满足机械正常运行要求；保护功能齐全；具备标准接口，能方便地和外部进行通信，并能实现远程诊断；动态制动，借助制动断续器实现制动，同时，缩短减速的时长。为满足以上功能要求，需采用以DTC 技术为基础的变频器，其型号为ACS800，利用这种变频器能对转矩与速度进行有效且精确的控制。

2.3 制动单元

在提升与运行的过程中，采用变频器会产生一定制动转矩，此时，电动机会从负载中接收到机械能，对这部分能量进行时，可采用以下两种方法：第一种方法为利用制动单元或电阻进行吸收；第二种方法为借助整流回馈装置将其回馈至电网中。考虑到第二种方法的造价较高，而且对电网也有着很高的要求，所以一般都采用第一种方法。

3 系统应用

该系统的应用能起到以下重要作用：

（1）为保证起重机的作业安全，起动时，先不将抱闸打开，由于变频器具有预励磁功能，所以，可以为电动机预加一定的励磁，通过确认力矩测定电动机力矩与电流是否大到阈值，确认大到阈值以后将抱闸开启，而没有达到阈值时，则将抱闸关闭。充分发挥变频器具有的力矩控制效果，能有效防止主副钩发生溜钩。

（2）对于DTC 技术，它是直接转矩控制的英文首字母简称，是现阶段交流传动领域最先进和可行的技术措施。选择好变频器的类型后，在其内部进行数学模型构建，然后，通过对转矩和磁通等的测量及对比，实现对电动机实际转矩及转速的有效控制。在这一过程中，变频器发挥出了十分重要作用，其应用特点包括：可在零转速条件下达到满足满转矩，同时，在低电流条件下也可达到较大的转矩，并且不需要光码盘，也不用对发电机反馈进行测速；起动转矩可以达到额定转速2 倍以上，适应负载力矩相对较大的情况；磁通制动可以通过对磁场的提高来获得足够显著的减速；开环应用条件下，动态转速误差不会超过0.4%，而在静态时，误差更低，只有0.01%左右；开环条件下，动态转矩对应的阶跃响应时间可保持在1 ～5ms 范围内；电动机的磁通能自动且良好的适应负载，利于效率的有效提高，能减小噪声，在不用负载情况下，电动机与变频器效率最大可以提高10%，相较于其他类型的变频器，具有更好的节能效果；在电动机和变频器的中间增设滤波器。因当前的调速传动单元会产生很大电压脉冲，且开关的频率很高，还能在电动机的轴承上产生电流脉冲，所以，可设置滤波器来减小对电动机整体及其绝缘造成的冲击。

（3）PLC 的应用能对整个系统实施控制，由于PLC 功能十分强大且性能优异，所以能对每个电控装置进行自动控制，同时，还能对外部的元器件做性能检测及判断。为了使操作人员能够直观的感受，还在操作室中安装触摸屏，实时显示系统实际状态与故障类型。这样一来，操作人员除了能根据触摸屏实时显示进行操作，保证操作的有效性与准确性，并且设备的维护和检修人员还能根据触摸屏显示内容，通过对故障表的查阅等方式及时有效地排除故障。

4 应用效果

对起重机进行变频改造后，设备可靠性得到大幅提高，实际的维护工作量极大的减少，而且还表现出了明显的节电效果。原有的控制系统采用复杂度极高的继电器，容易产生故障，而采用变频器疑惑，控制系统得到极大的简化，系统运行更加可靠，故障率也有了很大的降低；调速质量得到很大的提高，稳定性得以加强，能有效预防溜钩等现象；变频器具有完善的保护功能，电动机损坏概率基本为零，并且它独特的起动特性能大幅减少磨损；机械抱闸可在转速为零的情况下实现制动，除了能保证生产运行的稳定性，还能延长抱闸寿命，并且减少维修方面的成本；节电效果十分明显，经变频改造以后，日均用电量较之前减少30%左右。

5 结语

综上所述，在工业生产的自动化水平日益提高的局势下，PLC 与变频器使用性能和功能都在不断完善，这两者在起重机当中的应用，能使控制系统得到极大的简化，保证调速质量。从开始投运到现在，系统调速保持平稳，且安全可靠，设备故障发生率得到很大的降低，并且引入交流变频技术后，进一步扩展了转速控制范围，生产效率因此得到更大的提升。在只要一个相对较低的容量的实际情况下，变频器能通过转速的适当降低节省大量能源，这必定会在起重机领域得到更广泛的应用。