1 引言
隨著工業(yè)生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的門式起重機調速方法如:繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等，它們共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環(huán)和電刷，要求定期維護，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場維護量較大，調速系統(tǒng)的故障率較高，而且調速系統(tǒng)的綜合技術指標較差，已不能滿足工業(yè)生產的特殊要求。
交流變頻調速技術在工業(yè)界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的門式起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交流調速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調速是門式起重機交流調速技術發(fā)展的主流。
2 1100t變頻調速門式起重機運行的特點
2.1使用環(huán)境
1100t變頻調速門式起重機適用于大噸位構件組焊、設備安裝，港口碼頭、鐵路貨場、重工企業(yè)等的貨場裝卸作業(yè)，起升高度可達13m，最大起吊重量為1100t，它是我國目前起吊量最大的門式起重機。該產品采用“A”型門架，雙主梁結構，剛性支腿，無懸臂，無馬鞍，并采用雙小車形式。
1100t變頻調速門式起重機適用的場合均屬露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，有些場所存在多粉塵、有腐蝕氣體等，使用環(huán)境惡劣。門式起重機運行中振動、沖擊較大，供電電源方面普遍存在變壓器容量小，供電電纜截面小、線路長;在大型設備啟動時，常造成瞬時欠電壓。
2.2 運行特征
(1) 門式起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩;
(2) 由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序;
(3) 當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向直流電源側回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量;
(4) 起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。
3 電動機的選用
籠型異步電動機由變頻器供電時，會由于變頻器高次諧波的影響和電機運行速度范圍的擴大，出現(xiàn)一些工頻電源供電時沒有的新問題。
3.1 諧波的影響
籠型異步電動機采用PWM調制方式的通用變頻器供電時，定子電流中含有豐富的高次諧波，它造成電動機的鐵損和銅損增加，致使電動機的溫度上升。統(tǒng)計資料表明，電動機在額定狀態(tài)下，變頻器供電的電動機比工頻供電時，電流增加10%，而溫升增加20%左右。選擇電動機容量時，應留有裕量，防止電動機溫升過高，影響其壽命。
3.2 散熱能力的影響
標準籠型電動機調速運行時，額定轉速以下隨著轉速的降低其散熱能力變差。門式起重機的起升、平移機構均為恒轉矩負載，為了保證低速運行時電動機溫升在容許值內，須采用變頻專用電動機。現(xiàn)在國內推出的變頻專用電動機由普通籠型異步電動機加裝獨立風扇組成，并且提高了電機繞組的絕緣能力，可在3~100Hz范圍內連續(xù)運行。3~50Hz范圍內為恒轉矩運行，50~100Hz范圍內為恒功率運行。
3.3 電動機絕緣的影響
現(xiàn)在市場上出售的通用變頻器大多采用PWM調制方式的IGBT逆變器技術，其輸出電壓由高壓脈沖組成，峰值約為電網(wǎng)電壓的1.35倍。根據(jù)電機電纜特性及供電距離的不同，脈沖電壓的峰值在電動機接線端子處可能加倍，這就對電動機的絕緣提出了更高的要求，詳細情況應參閱變頻器生產廠家提供的使用手冊或向電動機生產廠商咨詢。
為了滿足1100t變頻調速門式起重機對電動機提出的要求:具有高啟動轉矩、低速滿轉矩、高絕緣等級、寬調速范圍、高運行效率和高可靠性等，起升、大車和小車運行機構的驅動電動機均選用變頻調速三相異步電動機，經過載荷換算和機械效率計算各運行機構驅動電動機的數(shù)據(jù)如下:
(1) 4臺起升變頻調速電動機參數(shù)為:YP2 280M-8，PN=45kW，IN=93.5A，TN=581Nm，n=740r/min;
(2) 4臺小車變頻調速電動機參數(shù)為:YZP112M-4，PN=4kW，IN=9.5A，TN=26Nm，n=1415r/min;
(3) 16臺大車變頻調速電動機參數(shù)為:YZP132S-4，PN=5.5kW，IN=12.2A，TN=36Nm，n=1450 r/min。
4 變頻器的選用
能滿足門式起重機運行特點，即具有高啟動轉矩、低速滿轉矩、快速的轉矩上升時間和抱閘順序控制等功能的高性能工程型變頻器，主要有ABB公司的ACC600系列直接轉矩控制型變頻器;西門子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型變頻器。下面就門式起重機的起升、平移機構的變頻器選用原則做以詳細說明。
4.1 起升機構
變頻器的容量必須大于負載所需求的輸出，即:
式中:k—過載系數(shù)1.33;
PM—負載要求的電動機軸輸出功率，kW;
η—電動機效率;
cosφ—電動機的功率因數(shù)。
起升機構要求的起動轉矩為1.3~1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6~2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60s、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。
在變頻器容量選定后，還應做電流驗證，即:
ICN≥kIM
式中:k—電流波形修正系數(shù)(PWM調制方式時取1.05～1.1)
ICN—變頻器額定輸出電流，A
IM—工頻電源時的電動機額定電流，A
1100t變頻調速門式起重機有兩個獨立驅動的起升機構，每個起升機構由2臺電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機的“一拖一”方案，變頻器選用ACC600直接轉矩控制型提升機專用變頻器，為了提高低速傳動時的動態(tài)特性和高轉矩輸出能力，每臺電動機采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個起升機構的2臺變頻器之間采用ACC600變頻器提供的具有同步控制功能的主從控制宏方案，這些控制方案可以實現(xiàn)2臺電動機的精確同步控制和轉矩平衡分配。
按照上述變頻器選用、計算公式進行換算，雙起升機構選用4臺ACC601-0120-3提升機專用變頻器，其技術參數(shù):Shd=100kVA，Phd=75kW，I2hd=147A(4/5min負載周期重載應用)。變頻器配用的4個脈沖編碼器為NTAC-02，其技術參數(shù):fmax=100kHz，Vcc=24VDC，1024p/r，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信號輸出。如圖1所示，每個起升機構2臺驅動變頻器之間提供同步控制功能的主從控制宏通過變頻器主機與從機通道CH2之間的主/從通訊鏈接實現(xiàn)。起重機的各種操作信號只送給主機變頻器，從機變頻器經由主從光纖通訊鏈路受控于主機變頻器，在本例中主傳動是典型的速度控制，從機變頻器跟隨主機的速度給定。用于速度閉環(huán)控制的脈沖編碼器模塊NTAC-02連接于相對應變頻器的通道CH1，且必須設置下列參數(shù):
(1) 50.04 ENCODER CHANNEL:CHANNEL 1;
(2) 70.03 CH1 BAUDRATE:4 Mbit/S。
4.2 平移機構
1100t變頻調速門式起重機的平移機構分大車機構和雙小車機構，兩種機構均采用多臺電動機傳動方案。由于門式起重機平移機構的轉動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此門式起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率PM應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即:
PM≥Pj+Pa
由于平移機構采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式:
ICN≥knIM
式中:k—電流波形修正系數(shù)(PWM調制方式時取1.05~1.1)
ICN—變頻器額定輸出電流，A
IM—工頻電源時單臺電動機的額定電流，A
n—一臺變頻器拖動的電動機數(shù)量
1100t變頻調速門式起重機的大車機構和雙小車機構均采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，變頻器選用FUJI公司生產的G11系列通用多功能變頻器。按照上述選型、計算公式進行換算，大車變頻器選定為FRN132G11S，其技術參數(shù):Shd=192kVA，Phd=132kW，I2hd=253A; 2臺小車變頻器選定為FRN30G11S，其技術參數(shù):Shd=45kVA，Phd=30kW，I2hd=60A。由于在變頻器“一拖多” 通用U/f開環(huán)頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現(xiàn)對單臺電動機的過載保護，為此在每臺電動機回路中串入帶有熱過載保護功能的低壓斷路器，以實現(xiàn)對單臺電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。
5 再生能量的處理
當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放或平移機構急減速、順風運行時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當中間直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案:
(1) 在中間直流回路設置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動;
(2) 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動。
動力制動方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動�；仞佒苿臃绞诫m然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復雜、成本較高。應該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)壓降不大于10%)，才可以采用回饋制動方式。在再生發(fā)電制動運行時，電網(wǎng)電壓的故障時間大于2ms，則變頻器控制板用“低電壓”故障切斷并斷開網(wǎng)側接觸器，退出回饋制動運行，從而造成制動不能連續(xù)進行的故障。對于采用滑觸線供電的門式起重機，應特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點，應采用動力制動方式，以保證起升機構持續(xù)下降時調速制動的可靠性。因此，1100t變頻調速門式起重機的雙起升機構、大車機構和雙小車機構均采用動力制動方式處理各運行機構的再生能量。關于各機構采用動力制動方式后的元器件選用和計算,可參閱參考文獻3，限于篇幅，此不贅述。
按照制動單元和制動電阻選型、計算公式進行換算，雙起升機構的每臺變頻器ACC601-0120-3配用2臺ABB公司的NBRA-659型制動單元，其技術參數(shù):PBRmax=352.8kW;每臺制動單元配置并聯(lián)連接的2臺SAFUR200F500型制動電阻, 其技術參數(shù):PRcont=13.5kW，R=2.7Ω，ER=5400KJ(400s工作周期)。雙小車機構的每臺變頻器FRN30G11S-4CX配用1臺FUJI公司BU37-4C型標準配置制動單元，其技術參數(shù):PBRmax=18.5kW;每臺制動單元按標準配置連接1臺DB37-4C型制動電阻, 其技術參數(shù):PRcont=1.85kW(10%制動使用率)，ER=185KJ(10s制動時間)。大車機構變頻器FRN132G11S-4CX配用1臺FUJI公司BU132-4C型標準配置制動單元，其技術參數(shù):PBRmax=66.5kW;大車制動單元配置并聯(lián)連接的3臺DB45-4C型制動電阻, 其技術參數(shù):PRcont=2.25kW(10%制動使用率)，ER=225KJ(10s制動時間)。
6 PLC在變頻調速系統(tǒng)設計中的應用
6.1 PLC硬件配置
1100t門式起重機變頻調速系統(tǒng)設計中，為了減少繼電器的用量、提高電控系統(tǒng)可靠性和增加系統(tǒng)控制靈活性，引入了PLC控制。PLC主要完成各機構變頻器的給定指令和變頻調速系統(tǒng)的各種保護信號的邏輯控制，I/O點數(shù)多達121點。
PLC選用德國SIEMENS公司的模塊式S7-300型,CPU單元為CPU315-2DP,存儲器選16KB FEPROM存儲卡，5個輸入模塊均為16點輸入電壓AC230V的SM321-1FH00，4個16點,AC120V繼電器輸出型的SM322-1HH00輸出單元，1個獨立接點8點AC230V繼電器輸出型的SM322-1HF01輸出單元。
為了實現(xiàn)對門吊操作信號的實時監(jiān)控和各種故障信號的智能顯示，系統(tǒng)還采用了SIEMENS觸摸屏TP37進行智能顯示，TP37與S7-300通過PROFIBUS-DP接口的通訊電纜進行數(shù)據(jù)交換。維修人員可根據(jù)智能顯示屏的故障診斷提示實現(xiàn)快速維修，從而縮短了門吊發(fā)生故障后的修復時間。
6.2 變頻器控制部分的PLC程序設計
雙起升機構的驅動變頻器由于采用ACC600起重機專用變頻器，變頻器的速度給定來自于PLC輸出觸點，因此采用ACC600提供的分級無線電給定(STEP RADIO)控制模式。它支持4種不同的速度級別，其速度給定由第一個速度級別的方向命令加上另外三個用于不同速度級別的觸點指令構成。觸點可連接到設置的DI(包括擴展I/O模塊)上，相應的速度給定級別由參數(shù)64.13SPEED REF LEVEL1到64.16 SPEED REF LEVEL 4設定。只有較低級的分級觸點全部閉合，高一級的才能激活。例如:當閉合觸點要打開第4級的分級給定時，第2、3級的觸點必須閉合。STEP RADIO控制模式不需要零點位置輸入信號，操縱桿監(jiān)測功能無效。雙起升機構的PLC程序主要完成起升變頻器給定信號和外圍信號的邏輯運算、制動器的控制和各種故障信號的邏輯判斷。
大、小車機構的驅動變頻器采用FUJI公司通用多功能G11系列變頻器，變頻器的速度給定采用多段速標量控制，它來自于PLC的二進制編碼形式輸出觸點。大、小車變頻器均為5檔速度，每檔速度的設定值在C05多步頻率1到C09多步頻率5中靈活設置。大、小車機構的PLC程序主要完成變頻器二進制編碼多段速標量控制模式給定信號和外圍信號的邏輯運算、制動器的控制和各種故障信號的邏輯判斷。
雙起升機構、雙小車和大車機構PLC程序的實現(xiàn)，限于篇幅，此不贅述。
7 安裝和接線
7.1 安裝
(1) 耐環(huán)境設計
變頻器和PLC正常使用的環(huán)境溫度容許值為0～ 40℃，但1100t變頻調速門式起重機主要用于港口碼頭和野外組拼貨場的露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，在冬天和夏天的大部分時間里，不能滿足變頻器和PLC對使用環(huán)境溫度的要求。由于不能把變頻器和PLC的環(huán)境溫度限制在其容許值以下，因此采用下述方法保證它們的正常運行。
1100t門吊的主梁內有8個長2400mm、寬1600mm、高2950mm相接的梁倉，正好安裝PLC柜、1～3#變頻柜和1～4#電阻柜等8臺電控柜。為了保證變頻器和PLC正常運行所需的溫度，我們對PLC柜和1～3#變頻柜所在梁倉的鋼板用保溫材料進行了處理，并采用海爾工業(yè)中央空調對它們進行保溫控制。
為了降低電控柜內的溫升，在其頂部安裝了冷卻風扇，下方設有帶金屬絲網(wǎng)的進氣孔，并讓大發(fā)熱量器件盡量靠近冷空氣進風口，提高散熱效率，使空氣對流暢通。
(2) 電磁兼容性設計
現(xiàn)在市場上出售的變頻器大多采用不可控整流電源及PWM脈寬調制技術，致使變頻器輸出電流富含各種高次諧波，屬于強電磁干擾源。電磁干擾是通過傳導和輻射這兩種耦合方式進入PLC控制系統(tǒng)，產生干擾的。因此，消除或減弱干擾的方法針對干擾形成的三項因素，即干擾源、干擾途徑和敏感電路，我們采取了以下兩方面的措施。
l 一是消除或降低干擾源的強度。變頻器屬于強電磁干擾源，PLC的安裝盡量遠離它們。本例中，PLC和變頻器安裝在不同的電控柜內。為了減少諧波污染造成的干擾，盡量降低變頻器的載波頻率。本例中，所有變頻器的載波頻率設為2kHz。
l 二是破壞干擾途徑，防止干擾侵入敏感電路。過程通道是PLC的I/O接口與其外圍設備進行信息傳輸?shù)穆窂�，長線傳輸引入的干擾是主要因素。為了在強電磁干擾環(huán)境中減小過程通道中的干擾，1100t變頻調速門式起重機采用了以下技術措施。
l PLC、變頻器的輸入信號線與動力線在電控柜內和主梁內分開走線，且沿各自的線槽進行配線，并使二者之間保持盡可能大的距離。
l 由于PLC外圍的一些I/O信號，如極限限位、主令控制器等遠離PLC主控柜，在實際布線時與主回路動力線分開布線有困難，因此本例中還選用了數(shù)據(jù)濾波器串入PLC和變頻器的輸入信號線，以濾除信號線上的干擾信號,它們都靠近PLC或變頻器安裝。
l 提高PLC輸入模塊的抗干擾能力。本例中，PLC輸入模塊選用1FH00-0AA0，其技術參數(shù):輸入電壓額定值AC230V，信號1時AC79-264V，信號0時AC0-40V。一般PLC常用DC24V輸入模塊的輸入電壓信號1時DC13-30V，信號0時DC0-5V。由以上技術參數(shù)可知，選用抗干擾能力高的輸入模塊后，PLC輸入電壓信號1時的閥值電平由13V提高到79V，從而使PLC電控系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。
7.2 布線設計
(1) 變頻器主回路
1100t變頻調速門式起重機起升機構的變頻器采用直接轉矩控制(DTC)方式，它們要使用電動機的一些電機常數(shù)，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測程序來完成的。如果按常規(guī)的導線發(fā)熱校驗選擇電機的配線，必然把長距離線路阻抗加入到了參數(shù)自檢測出的電機數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達不到控制要求。另外，變頻器與電動機之間的r電纜敷設距離長，則線路壓降大，有時產生電機轉矩不足。特別是變頻器輸出頻率較低時，其輸出電壓也低，線路壓降所占的比例增大。變頻器與電機間的線路壓降以不超過額定電壓的2%為容許值，電機電纜的截面可據(jù)此來選擇。
由于在變頻器的輸出布線中存在寄生電容，其容量與電機電纜的長度成正比，電機電纜的寄生電容容量越大，采用PWM控制方式的變頻器輸出電纜中的漏電流也越大，從而造成變頻器的出力不夠。所以在門式起重機的布線設計中，應力求減小變頻器到電動機的電纜的長度總和。在1100t變頻調速門式起重機的電氣布線設計中，如果從大車變頻器控制柜到16臺大車電動機進行直接布線，其電機電纜的總長度為450m，已超過大車變頻器所允許的350m的最長距離。為了解決這一問題，我們采取把保護大車電動機的16個帶有熱過載保護功能的低壓斷路器分成前后兩組，分別裝設在大車前、后支腿上的端子箱中，然后再由大車變頻器分別向大車前、后支腿上的端子箱供電，每臺大車電動機再就近連接到端子箱中相應的低壓斷路器上，這樣的布線設計使大車變頻器的輸出電機電纜總長度縮短到120m。
(2) 控制回路
變頻器的控制信號為微弱的電壓、電流信號，所以與主回路不同，變頻器的輸出回路是強電磁干擾源，因此，變頻器控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內敷設。為了進一步提高抗干擾效果，本例還采用1.0mm2絕緣屏蔽導線傳輸PLC與變頻器之間的控制信號和起升電動機脈沖編碼器的速度反饋信號。絕緣屏蔽導線的接地在變頻器側進行單點接地，使用專用的接地端子。
8 結束語
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展完善，交流變頻調速技術日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調速性能，高效率、易維護等特點，加之它的價格不斷下降，使其成為起重機械一種優(yōu)選的調速方案。但是，要使變頻器成功地應用于門式起重機調速，就必須針對門式起重機的特點，計算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時采取特殊技術措施，以保證變頻調速的門式起重機安全、可靠地運行。本文提出的變頻調速控制方案和設計計算方法已成功應用于我公司給中國一重集團制造的目前我國起吊量最大的門吊—1100t變頻調速門式起重機，該門吊已在神華集團的煤液化基地投入正常運行。經過一年多的實際運行證明，PLC控制的變頻調速門式起重機，不但線路大為簡化，而且各項調速性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的繞線異步電動機轉子串電阻調速系統(tǒng)，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷和顯示功能，使整個調速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。
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