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浅谈矢量变频器在桥式起重机改造中的应用
导语：本文分析了传统桥式起重机存在的问题，给出了采用矢量控制变频器改造起重机的技术方案。
1、前言
2、传统桥式起重机运行情况
桥式起重机是工矿企业中应用十分广泛的一种起重机械。传统电力拖动系统主要有起升机构和平移机构，一般采用YZR绕线式交流异步电机转子回路内串电阻调速，由凸轮控制器、继电器、接触器控制。实际运行中存在以下问题：
1）起升机构（吊钩主升降、副起升）、平移机构（大车、小车）拖动运行系统采用变阻调速，运行性能差，而且电阻元件使用普通康铜材质，性脆易断裂，故电阻烧损和断裂故障时有发生。
2）电机转子串电阻调速属能耗型转差调速，能耗大，机械特性软，调速范围小，平滑性差。
3）由于现场环境中的金属粉尘、有害气体对电动机有侵蚀左右，再加上继电器、接触器控制系统切换频繁，起动时冲击电流大，因此触头烧损、电动机烧损故障时有发生，故障率高。
4）调速平滑性差，对减速机、连轴器、钢丝绳的机械冲击大，影响使用寿命。
5）系统抱闸是在运动状态下进行的，对制动器损害很大，闸皮磨损严重而引起的安全隐患。
随着电力电子技术的飞快发展和软件技术的成熟，变频器的性能和可靠性都有了很大的提高。因此，在桥式起重机上应用变频调速技术，可实现桥式起重机的起升机构和平移机构的无级调速，从而极大地提高了系统运行的安全性和精确性。
3、变频调速改造方案
鉴于传统起重机存在以上问题，客户要求对桥式起重机的吊钩升降电力拖动系统和大、小车电力拖动系统进行技术改造，为克服绕线式电机串电阻调速系统的缺点，采用变频调速技术改造起重机传动系统，可以实现全频率（0～50Hz）范围内的恒转矩控制，降低对机械传动的冲击，以改善其操作性能、降低故障率和能耗率。
3.1变频调速系统方案设计
根据现场实际需要、成本、安装条件等因素，提出2种变频调速系统方案。
3.1.1：变频调速电机+矢量变频器
将起升机构的YZR绕线电机更换为YZP冶金起重专用变频调速电机。
针对冶金起重机械开发的专用变频电机将起重机冶金用三相异步电动机的特点与变频调速的优点集于一体，与变频装置组成的系统能够实现无级调速；达到节能和控制自动化的目的。由于具有效率高、调速范围广、精度好、起制动运行稳定，且过载能力大等特点，特别适用于需要变频调速，短时或断续周期运行、频繁起制动的场合。
YZP电机基本技术指标：①符合IEC34-1和GB755标准的要求，安装尺寸符合IEC72国际标准；②电动机额定电压为380；V③变频范围1～100Hz。1～50Hz为恒转矩调速，50～100Hz为恒功率调速；④电动机外壳防护等级为IP54以上，绝缘等级为F级，也可以根据用户要求制成H级；抗机械震动、冲击,适应频繁起动、制动,正、反转；⑤带专用冷却风机(起升电机)，能连续低频运行；⑥电机与矢量控制变频器具有良好的匹配性，充分发挥矢量控制变频器的性能。
为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，变频电机也可以采用带脉冲编码器的速度闭环控制。
3.1.2：绕线电机+矢量变频器
电动机采用原有的绕线电机。
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纹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；变频器输出为基于PWM幅值频率可调的正弦波，针对未作特殊处理的YZR电机，在低速由于变频器输出特性以及电机磁通状况，电机输出力矩存在一定的影响；如果现有YZR电机不进行更换，仅短接滑环后，采用变频驱动，那么主起升、副起升机构安全可靠运行的起重量不能达到铭牌标定的额定载荷，理论测算可靠运行起重量约为下降5%左右。
此方案优点是设备改造成本低。
3.2电控系统基本方案
1）电气控制系统：取消原各电气控制柜和继电器、接触器更换为新电气控制柜，控制柜采用封闭式另加散热风扇、空气过滤器，是用来防护粉尘对电气元件的危害。
2）起升机构：惯量较小，负载变化大，属于位能性负载；采用矢量变频器驱动YZP专用电机，一拖一配置。
3）平移机构：平移机构惯量较大，负载变化相对小，属于阻力性负载。大车采用一台变频器驱动2台电机同步运行，小车采用一拖一配置。
4）控制方式：根据变频器的控制方式，有V/F控制，开环矢量控制SVC和闭环矢量控制，更高端的是直接转矩DTC控制，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。
5）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式。当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或平移机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。对连续再生能量的处理有以下两种方案。①在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；②采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。为安全考虑，还必须同时采取电磁制动器进行机械制动以配合可靠完成作业。
6 )防溜钩控制：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。
矢量控制变频器的自动转矩提升和预励磁功能，使电机保持足够大的转矩防止溜钩。
7）操作方式：改造后的系统不改变原司机操作习惯和方式。平移大车的左、右行及速度挡；小车的前、后行及速度挡都可以采用变频器的多段速度功能实现。控制地选择有：本地控制（控制盘）；远程控制（端子控制和现场总线控制）。
8）保护功能：专用变频器有短路、过压、缺相、失压、过流、超速、接地等各种保护功能和故障自诊断及显示报警功能。当变频器出现短路、过流等故障时，变频器给出故障信号，并停止输出，切断变频器电源，控制制动器抱闸，并发出报警信号。
图1起重机变频系统改造示意图
3.3主器件选型
根据以上方案的变频调速系统主器件有：变频器、制动单元、制动电阻等
3.3.1起升机构
变频器的选型主要依据电机的额定电流和最大工作电流及变频器提供的转矩，根据一定的过载系数比例确定变频器的输出电流，再得出变频器的容量。
ICN≥kIM
式中k——电流系数（PWM调制方式时取1.5～2.0）
ICN——变频器额定输出电流A
IM——工频电源时的电动机额定电流A
起升机构要求的起动转矩为1.3—1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6—2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60秒、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=在1.5和2.0之间。
3.3.2平移机构
起重机的平移机构分大车机构和小车机构，两种机构一般采用多台电动机传动方案。由于起重机平移机构的转动惯量较大，为了加速电动机需有较大的起动转矩，因此起重机平移机构所需的电动机轴输出功率PM应由负载功率Pj和加速功率Pa组成，即：
PM≥Pj+Pa
由于平移机构采用一台变频器拖动多台电动机的开环控制方式，因此在变频器容量选择时，还要满足以下公式：
ICN≥k*nIM
式中k——电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05～1.1）
ICN——变频器额定输出电流A
IM——工频电源时的电动机额定电流A
n——一台变频器拖动的电动机数量
3.3.3制动单元和制动电阻
可采用能量回馈制动或者制动电阻消耗制动。
由于平移机构属于摩擦负载，其制动单元和制动电阻可按变频器的标准配置。
4、改造实例
4.1起重机概况
开滦集团某矿16/5吨桥式起重机，主要吊装的载荷为矿山机械。起重机基本数据如表1：
名称
双梁桥式起重机
生产厂家
常州矿山机械厂
工作级别
A5级
安装地点
唐山开滦集团
生产日期
1992年5月
额定起升重量（吨）
16/5
跨度(米）
16.5
起升高度(米）
主起升机构电机
YZR255M-8 22KW I1=46.8A 708rpm
起升速度（米/分）
7.9
副起升机构电机
YZR160L-6 15KW I1=33.8A 945rpm
起升速度（米/分）
19.2
大车行走机构
5.5KW*2 I=15A*2
运行速度（米/分）
70.7
小车行走机构
3.7KW I=9.2A
表1：桥式起重机数据
4.2变频系统改造
4.2.1变频器选型
本案现场改造的变频器采用普传PI9230C系列起重专用变频器。该变频器针对起重行业应用设计，保证起重机使用的安全性、可靠性和高效性。硬件采用美国TI公司电机专用控制芯片DSP，搭载英飞凌公司第五代IGBT，内置起重专用软件，具有高性能矢量控制、过载能力强（额定电流150%可达60秒，200%可达3秒）、高启动转矩（（FOC+PG模式可以在极低转速下，产生高达180%的初始转矩，100%快速响应冲击瞬间负载）、防溜钩功能。采用矢量控制方式可获得稳定的工作状态和良好的机械特性。在满足冲击性负载、重负荷应用的同时，还能完美呈现起重行业的工艺控制特性，增进系统效能，达到了快速反应，平稳安全运行的要求。
其安全性和可靠性主要表现在：
1)预励磁及起动预转矩补偿：预励磁功能是在启动之前自动地对电机实行直流励磁，以保证电动机快速地提供起动转矩，并通过设定起动预转矩补偿值和调节励磁的时间，使电动机的起动与机械制动器的释放时间相配合，避免出现“溜钩”现象；
2)变频器有速度监视快速停车及超速保护和转矩监控；支持3种快速停车模式：电气制动的停车、电气制动加机械制动的停车、机械制动的停车。
3)抱闸逻辑控制与监控功能：准确的抱闸开启和闭合控制时序，通过抱闸实时状态反馈和起动预转矩补偿，确保控制的安全性和可靠性。
本项目主副升降电机选用专业厂家生产的冶金起重专用变频电机，配置相应的PI9200C矢量型变频器，设备规格如表2：
配置
规格型号
额定功率（KW)
额定电流(A)
额定转矩(NM)
变频器规格
主起升电机
YZP225M-8
30
68
386
PI9200C 037G3
副起升电机
YZP200L-6
22
45
145
PI9200C 030G3
大车行走
YZR
5.5*2
15*2
PI9200C 018G3
小车行走
YZR
3.7
9.2
PI9100C 5R5G3
表2：起重机电机及变频器配置
4.2.2制动单元和制动电阻
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。大车、小车、主副升、降的制动单元均选用与普传变频器容量相配套的标准外接PB6024制动单元和变频器专用制动电阻器，见表3。
配置
变频器规格
制动单元
制动电阻
主起升电机
PI9200C 037G3
PB6024
16Ω/9600W
副起升电机
PI9200C 030G3
PB6024
20Ω/6000W
大车行走
PI9200C 018G3
内置
32Ω/1800W
小车行走
PI9100C 5R5G3
内置
75Ω/780W
表3制动系统配置
4.3参数设置及注意事项
针对不同载荷和工作制的起重机，变频器参数设置（启动方式、电机自学习、防溜钩、制动方式等）尤为重要，合理且互相匹配的参数是保证起重电气系统正常运行的基础。表4为本案例的参数设置。
功能
功能代码
设置值
说明
电机参数自学习
B0.27
命令源选择
F0.11
端子台运行
DI1功能
F1.00
正转
DI2功能
F1.01
反转
频率主设
F0.03
多段速度
DI3功能
F1.02
12
多段速端子1，对应一档
DI4功能
F1.03
13
多段速端子2，对应二挡
DI5功能
F1.04
14
多段速端子3，对应三挡
DI6功能
F1.05
故障复位
一段速度
E1.00
30%
100%为50HZ，以此折算
二段速度
E1.01
60%
三段速度
E1.02
80%
继电器1输出功能
F2.02
TA1/TB1/TC1故障输出(默认）
继电器2输出功能
F2.05
频率水平检测PDT1输出，机械抱闸逻辑顺序控制
频率检测
F7.23
当运行频率高于频率检测值3Hz时，继电器输出，抱闸动作
频率检测滞后值
F7.24
频率检测滞后5%
矢量控制
F0.00
预励磁启动
F3.00
防止溜钩；
启动电流
F3.05
80%
F0.13
根据电机的功率选择
F0.14
DC直流制动起始频率
F3.08
当减速运行到3Hz时开始直流制动
制动电流
F3.10
80%
F3.11
表4变频器参数设置
5、改造后的应用效果
1）交流变频调速技术的起重机由于变频器驱动的电动机机械特性硬，起重机的启动、制动、加速、减速等过程更加平稳快速，定位更加准确，运行中加、减速时整机振动和冲击明显减小减少了负载波动，安全性大幅提高。
2）系统运行的开关器件实现了无触点化，具有半永久性的寿命。
3）由于电动机启动电流限制得较小，频繁启动和停止时电动机热耗减少，寿命延长。
4）电磁制动器在低速时动作，其闸皮的磨损很小，使用寿命延长。
6）节约能源，变频调速系统属高效率调速系统，电机运行电流小，运行效率高，发热损耗小，因此比老式调速系统大量节电。本案实测节能可达30%左右。在生产工况相同的情况下电耗和维修费用比改制前节约20%左右。
7）可靠性高：变频器内置的防溜钩程序及完善的保护、监测及自诊断功能，如再结合PLC控制和采用闭环矢量控制柜，可大幅度提高变频起重机电控系统的可靠性。
8）高效运行：起重机空钩或轻载时实现2倍速运行，提高装卸效率。
6、结束语
随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，加之它的价格不断下降，使其成为起重机械一种优选的调速方案。但是，要使变频器成功地应用于起重机调速，就必须针对起重机的特点，计算和选择变频器及其外围的辅件，并在安装与布线时采取特殊技术措施，以保证变频调速的起重机安全、可靠地运行。
参考文献
1、PI9200C起重机专用变频器使用说明书
2、《起重电控设计参考手册》机械工业出版社ISBN9787111372196