散粮抓斗与门机变频器的控制关系分析——一起变频器故障导致门机抓斗动作故障的处理

◎ 王康兴

（连云港东粮码头有限公司，江苏 连云港 222000）

门座起重机（以下简称门机）具有诸多优势，其性能优异，工作效率高，在港口生产中得以普遍应用。连云港东粮码头有限公司（以下简称东粮公司）使用的门座起重机主要包括行走机构、旋转机构、起升结构、变幅结构4大动作机构，均采用变频器驱动。

1 门机起升机构简述

门机起升机构主要包括驱动机构、刹车制动机构、传动装置（减速机等）、卷筒装置（起升、开闭两个）、钢丝绳、取料装置（吊钩或抓斗）[1]。当司机动作主令控制器手柄时，输入信号通过PLC向变频器发出信号，控制起升机构电动机的运转速度及方向，经过减速机低速轴带动钢丝绳卷筒，控制两根钢丝绳的卷入及放出，当主令回到零位时，电动机停止运行，制动器动作，对电机进行刹车制动。东粮公司码头经常进行散货粮食及化肥的装卸作业，起升工作机构的利用等级一般为A6～A7。其中起升机构共有4根钢丝绳进行驱动，分为两组，起升1：主牵引钢丝绳；支持2：副牵引及钢丝绳开闭。

起升机构共有2台电机，设置在机器房内，采用三相变频电机驱动。两套起升机构既可单动又可联动，2台起升电机都配有制动器。起升机构包括吊钩、抓斗两种工况，吊钩状况下可用支持单机、开闭单机、吊钩；抓斗状况下，双机操作。

当起升机构双机动作时，需满足起升1、起升2两个零位条件，且上电正常、起升手柄正常。当单机动作时，只需满足相应的单机零位条件。

2 异步电动机概述

2.1 异步电动机的变频调速原理

三相异步电动机转速的计算公式为：

式中：f代表电源频率，p为极对数，s代表转差率。

通过公式（1）可知，调整电源频率f可以控制电动机主轴运转速度，从而实现无级调速的效果。

变频调速技术，调速效率高，属于高效调速方式，能够根据门机司机操作的需要发挥出理想的调速性能，另外，由于变频器具备软启动功能以及内部滤波电容的作用，减轻了大功率电机启动时对电网的冲击，降低了无功损耗，能够节能降耗，因而在现代港口装卸设备中得到了广泛应用，变频器以其理想的特性组成了门机的重要部分[2]。

2.2 变频器的结构形式

2.2.1 主回路

主回路是异步电动机提供调频调压电源的电力变换部分，主要包括3大组成部分。

（1）整流器：一般由真空管、引燃管、固态矽半导体二极管、汞弧等制成。将工频交流电源（一般为380 V）进行转换成为直流电源，即AC-DC转换。

（2）滤波器：由于经过整流器处理得到的直流电源受到脉动影响后，电源信号会出现一定幅度的波动，为了得到门机司机特定的频率信号，就需要通过直流电阻器或者电容器对这些波动进行有效滤除。

（3）逆变器：由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成，是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置，经逆变器处理好的交流电源将提供给对应的电动机，以达到变频调速的效果。

2.2.2 控制回路

控制回路主要包括主控板、驱动板、电源板、PG卡、通讯卡等。

2.2.3 变频器故障及处理

一般来说，变频器自带故障诊断功能，当故障发生时，可及时实现对相关部分的有效保护。故障未解决前，显示屏将提示故障代码，指导故障原因分析，便于故障及时解决[3]。故障解决后，故障将会被记录下来，并保存在变频器的历史记录中，便于将来的故障处理。与之类似的一项是变频器报警，报警功能一般不影响变频器的正常运行。为了保护设备，变频器拥有过电流、过电压、过低电压等保护功能。保护功能被启动时会切断变频器输出，停止电机，此状态保持到强制重置（复位）[4]。

下面将基于东粮公司使用的散货抓斗的门机应用变频器发生的一起起升故障进行相关探讨。

3 故障发生情况

2021年5月12日晚22:30，门机司机报告在抓料起升旋转联动至粮食漏斗正常操作时，抓斗突然开斗，大豆撒漏，进行闭斗操作正常，为防止造成高空坠物等安全隐患，门机停止作业。23:05，技术人员到达现场进行处理，依次检查CMS系统、故障监视屏、PLC以及起升变频器，均未出现故障。对此故障进行判断性处理，认为右操作台钢丝绳模式控制旋钮出现故障或输入信号线路问题，对此进行了旋钮的更换和线路、主令控制器的排查，现场模拟抓料以及断电情况下操动手柄，并在5月13日0:30进行了实际抓料，实时监控并未出现自动开斗的故障。

5月13日15:30左右，再次出现同类故障，技术人员于16:25到达现场，重新进行排查，此时在起升1变频器的面板上检测到了“IGBT过热警告”，用测温枪检测变频器，表面温度达到72 ℃。立即进行相关电路的断电，拆解变频器后发现变频器散热风扇故障，通过进一步检测发现变频器电源板中散热风扇的输出继电器出现了故障，对其进行更换后问题得到解决。

4 故障分析

4.1 故障发生原理

故障后，起升1变频器未向PLC输出故障信号，CMS系统、监控显示屏、PLC控制系统均显示正常，门机司机仍正常作业，但实际上起升1变频器已停止工作，起升1钢丝绳卷筒及其驱动钢丝绳无法动作。在正常起升时，虽然控制模式在抓斗模式（4根钢丝绳同时起升），但由于起升1的故障，导致只有起升2钢丝绳在动作，起升2钢丝绳只作为辅助牵引，故原起升动作使钢丝绳上升，但实际上却使抓斗开斗（原下降动作实际上使抓斗闭斗）。

4.2 故障发生原因

（1）起升1支持变频器电源板上的输出继电器故障，导致变频器散热风扇无法启动，变频器系统中所释放的热量不断累加，变频器IGBT过热报警，起升1变频器停止运行，由于“IGBT过热”属于报警而不属于故障，故门机的PLC控制系统未收到此信号，控制系统正常运行，对查找故障根源带来麻烦[5]。

（2）散热风扇运行与否是开环系统，对变频器本身无反馈信号。

（3）IGBT过热在随着门机变频器停止作业后，电气柜及电气室的散热系统不断工作，使变频器快速降温，降到临界点即可以自复位，不保留此报警信号，散热风扇在变频器内部也无法观察其运行状态，变频器的降温是外界原因还是设备自身未进行区别，对故障查找带来阻碍。

5 改进方案

（1）IGBT过热警告应纳入变频器故障信号，由于设备过热在设备自然降温后会进行自复位，仅能在报警记录里查找到，这对故障的查找及解决造成了阻碍，由于IGBT过热故障导致了变频器的实际停机，所以此故障必须设置为不可自复位，并且向门机PLC控制系统输出停机信号。

（2）针对双机吊钩模式以及抓斗模式这两种2组模式，尤其是散料及铁合金抓斗，抓斗状态门机的操作必须将起升1和起升2的变频器运行信号同时串入PLC程序，防止此类情况的发生，预防货物撒漏以及高空坠物的风险隐患。

（3）变频器散热风扇的运行信号应对变频器本身设置反馈点，由于变频器长时间运行热量很高，即使电气室设置有空调，变频器电气柜设置有散热风扇，但仍不足以将变频器的热量散发，所以散热风扇的不正常运行状态，可导致该变频器的故障停机。

6 结语

近年来，随着公司国际化散粮集散中心进程的逐步推进，散粮码头的装卸业务取得跨越式发展。公司生产日益繁忙，设备利用率逐月提高，设备的日常保养和维修压力不断增加。而公司在门座起重机利用率高的情况下必须优先解决安全隐患，而减少故障率、增加设备完好率又是提高生产效率的必要条件。变频器的故障警示应用到电气设备预知性维修过程中具有重要的作用，能够有效提高设备故障的检测效率，避免出现重大设备安全事故，降低事故发生概率，能够为港口装卸电气设备发展提供依据及保证。