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PLC变频器在桥式起重机中的应用分析
作者：武浪
来源：《中国科技博览》2013年第28期
[摘要]随着电力电子技术的发展，PLC、变频器等自动化产品在电力拖动领域得到了广泛应用。起重机械采用PLC-变频器调速逐渐得到推广和普及，PLC过程控制取代传统的继电-接触器控制逐渐成为起重机械电气控制的主流；用变频电动机或异步电动机取代绕线电机，再配合先进的现场总线技术和人机界面系统，提高了设备控制精度和稳定性，降低了故障率，且节能效果显着，易于检修维护，成为提高企业生产效率的好途径。 [关键词]天车PLC变频器电动机
中图分类号：TN77 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）28―0518―01 引言
天车也称桥式起重机，主要用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运的设备，它是由大车、小车、减速机、电动机、控制系统等设备构成。它的运转情况直接影响到公司的正常生产，甚至涉及到工人的人身安全。 １、起重机械的组成及负载特点
起重机械最基本的工作机构有以下四种：即起升机构、小车机构、大车机构。起升机构是主要功能机构，其正反转工作变换比较频繁，每次的起吊重量差别比较大，且具有恒转矩负载的特点。起重机械的起升机构由电动机、减速器、卷筒等部分组成，其作用可将原动机的旋转运动转变为吊钩的垂直升降运动，实现吊具垂直升降的目的功能不可缺少的部分。
由于重物在空中具有位能，重物上升时，是电动机克服各种阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，属于阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，电动机成为了能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须由电动机拖动下降，仍属于阻力负载。
为使重物在空中停止在某一位置，在起升机构中还必须设置制动器和停止器等控制部件。为了适应不同吊重对作业速度的不同要求，起升速度应能调节，并具有良好的微动控制性能。微动速度一般在0.25～0.4m/min范围。
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２、变频调速的基本原理与电动机的机械特性 2.1变频调速的基本原理
一般三相异步电动机调速方法有：（1）改变磁极对数p来改变电机转速，所得到的转速只能是3000、1500、1000…，为有级调速；（2）改变转差率s调速，常用的方法是改变定子电压调速和滑差电机调速，该方法转子损耗较大，效率低；（3）改变定子电源频率f1，其调速属于改变同步转速n1调速，由于没有人为的改变s，转子中不产生附加的转差功率损耗，所以效率高。其是一种较为理想的调速方法，但变频调速需要较复杂的控制电路组成。 2.2电动机变频调速的机械特性
起重机械各部分的拖动系统，一般都需要调速，在变频调速问世之前，已经发明了多种调速方法，获得了广泛的应用。例如：增大或改变转子回路内电阻的调速、电磁调速电动机等等。比较常见的是采用绕线转子异步电动机，调速方法是通过滑环和电刷在转子回路内串入若干段电阻，由接触器来控制接入电阻的多少，从而控制了转速。电动机采用变频调速，一方面可以实现节能，另一方面可以保持较硬的机械特性，负载能力较好。 ２.３电动机变频调速与原拖动系统调速的机械特性比较
（1）重物上升时，两种调速方式其机械特性都在第一象限，曲线①表示变频调速时的机械特性，转速为nl。曲线②表示通过转子电路串入电阻来实现调速时的机械特性，即电压调速。从两条曲线可以看出，工作点由A点对应A’点，电动机的转矩大为减小，拖动系统因带不动负载而减速，直至到达B点时，电动机的转矩重新和负载转矩平衡，工作点转移至B点，转速为降n2，负载能力相对于变频调速变化明显。
（2）轻载下降时两种调速方式其工作特点与重物上升时相同，只是转矩和转速都是负的，机械特性在第三象限。
（3）重载下降时，原拖动系统的电动机从接法上说，是正方向的，产生的转矩也是正的。但由于在转子电路中串入了大量电阻，使机械特性倾斜至如曲线⑤所示。这时，电动机产生的正转矩比重力产生的转矩小，非但不能带动重物上升，反而由于重物的拖动，电动机的实际旋转方向是负的，其工作点在机械特性向第四象限的延伸线上，这时，转速为n5。这种工作状态的特点是：电动机的转矩是正的、却被重物“倒拉”着反转。解决这种现象的途径只能是选择较大的功率，这无形便增加了设备成本。 ３、采用变频调速需要注意的问题
（1）重物起吊时起动转矩Ts较大，通常在额定转矩 TN的150％以上。考虑到在实际工作中可能发生的电源电压下降以及短时过载等因素，一般情况下，起动转矩 Ts应按照额定转矩TN的150％～180％来进行选择：
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Ts =（150% ~ 180 %）TN（4）
（2）起升机构工作过程中，在重物刚离开泊位上升的瞬间以及在重物刚到达新泊位下降的瞬间，负载转矩的变化是十分激烈的，应引起注意。
（3）起升装置在调整缆绳松弛度时，以及移动装置在进行定位控制时，都需要点动运行，应充分注意点动时的工作特性。
（4）在重物开始升降或停止时，要求制动器和电动机的动作之间，必须紧密配合。由于制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要一定的时间（约6s），而电动机转矩的产生或消失是在通电或断电瞬间就立刻反映的。因此，两者在动作的配合上极易出现问题。如电动机已经通电，而制动器尚未松开，将导致电动机的严重过载；反之，如电动机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。 4、起重机械变频调速采取的措施 4.1选择合适的变频器容量
在起重机械中，因为升、降速时的电流较大，应求出对应于最大起动转矩和升降速转矩的电动机电流。
4.2溜钩的预防措施
起升机构中，由于重物具有重力的原因，如没有专门的制动装置，重物在空中是停不住的。为此，电动机轴上必须加装制动器，常用的有电磁铁制动器和液压电磁制动器等。多数制动器都采用常闭式的，即：线圈断电时制动器依靠弹簧的力量将轴抱住，线圈通电时松开。 为了有效地防止溜钩，某些新型变频器设置了一些独特的制动功能，如：
（1）零速全转矩功能变频器可以在速度为0的状态下，电动机的转矩也能达到额定转矩的150％。这就保证了吊钩由升、降速状态降为零速时，电动机能够使重物在空中暂时停住，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。
（2）直流强励磁功能变频器可以在起动之前和停止时，自动进行强直流励磁。使电动机有足够大的转矩（可达额定转矩的200％），维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放和抱住过程中不会溜钩。 4.3变频调速系统的控制
起重机械拖动系统的控制动作包括：吊钩的升降及速度档次、变幅功能等，都可以通过可编过程控制器（PLC）进行无触点控制。