变频调速系统在行车卷扬机电气改造中的应用

0　前言

行车是应用非常广泛的一种机电设备，它能否正常运行直接影响物流转运和生产任务的完成以及人身和设备的安全。武钢港务公司三作业区现有10台行车,它主要担负着武钢钢材的外发任务，设备状态的好坏直接影响钢材外发的进度。

该厂行车都是在上世纪80年代建成，2003年以前一直都沿用的是传统的行车电气传动系统，尤其是主卷回路电气元件冗杂，各类电气故障频发，严重影响了生产。

1　原电气控制系统

1.1　原理简介

其主卷部分电路图如图1所示。

图1　主卷控制电路图

行车主卷起升机构有4挡，采用两级时间继电器自动切换电阻调速(分步短/断路1JSC、2JSC、3JSC、4JSC)。下降机构共有5挡，1～4挡为能耗制动,定子交流回路断开，1DZC、2DZC得电后将直流电接入到定子线圈中:此时,将第1挡1- 3JSC接电,短路掉三路电阻;第2挡3JSC断电，主卷电机转子又接进一路电阻,电机下降速度增加;第3、4挡2JSC、1JSC陆续断电,电机下降速度进一步增加。最后一挡能耗断开，电机转子电阻全部切除(常接的软化电阻除外)，电机过渡到发电运行状态，下降速度达到超同步转速的快速下降。

1.2　存在问题

这种传统的主卷电气传动系统,其控制回路都是纯硬电路(接触器、继电器组合回路)，而电机调速采用的是绕线式电机串电阻调速方案(有级调速)。其主要缺点如下：

a. 电机转子串电阻调速属能耗型转差调速，机械特性软，调速范围小；

b. 控制回路操作频繁，冲击电流大，接触器触头易烧损，滑环炭刷易磨损，致使电器元件的使用寿命大大
缩短；

c. 有级调速，平滑性差，对机械的冲击大，影响整机使用寿命；

d. 低速运行时能耗大，转子回路能量消耗严重，不利于节能生产；

e. 转子电阻散热量大，极易烧坏，对仓内电气屏元器件寿命有影响。

随着港务公司业务的不断扩大，这些行车的利用率也不断提高，在使用过程中发生故障率较高，已经影响到公司钢材外发的有序进行；有必要对原电气控制系统进行改造。针对以上问题，我们决定采用以PLC代替原有控制回路、变频器控制电机的调速方案(变频调速属于无级调速)；在改造过程中，考虑到投入费用应尽量降低(最好是能在保持原有设备的基础上进行改进) ，所以我们仍采用原绕线式电机。

2　变频调速系统的组成

2.1　PLC部分

在系统设计的第一步，我们应清楚行车主卷的操作流程；结合老系统的流程和操作工人的要求，我们对其进行了一些改进，控制流程图如图 2 所示。

图2　主卷控制流程图

2.1.1　硬件选型及其I/O点分布

本方案中，共有上升、下降、零位、加挡等14个输入点和到变频器的上升、下降、速度编码等8个输出
点。根据这一情况,我们选择使用西门子S7 - 200(CPU为214型)PLC，I/O点如表1所示：

2.1.2　程序部分

主卷换挡公用程序如图3。

图3　变频器速度编码输入

我们可看出，无论是在上升还是下降状态，主卷的换挡都是靠这块公用程序实现的： BP1 速度编码1和速度编码2共同构成了变频器的速度输入(00、01、10、11分别代表1、2、3、4挡),这是由于主卷电机的速度是由变频器提供到电机定子上的电压频率所决定的；而在老系统中,上升和下降状态下的调速回路完全不一样：在上升过程中，挡位是从1挡的转子全电阻接入逐级短接加挡电阻进行加速；下降过程中，由于负载具有重力转矩，前4挡采用的是在能耗制动状态下逐级切开转子中的电阻，在第5挡断开能耗,电机反向运行。

相比而言, PLC程序简单明了,易于工厂电气维护人员读懂,极大的提高了现场电气故障的排查解决能力。

2.2　变频器部分

2.2.1　变频器的类型

由于起重机的负载属于恒转矩负载,我们应选用恒转矩通用型变频器。同时还应注意到在下降或制动过程中，有可能出现电机的再生制动导致变频器直流回路烧坏,因此变频器应另配备制动电阻。

2.2.2　变频器容量的确定

在正常生产情况下,主卷机构的额定总载荷是30t，提升速度为1312m/min，加速时间为117 s。主卷电机参数为110 kW, 380V, 217A。我们对主卷电机电流进行了测量：在主卷机构空载上升时，定子相电流为102A左右；重载(30 t)匀速上升时，定子相电流稳定在150A左右；重载加速时电流可以达到180A。

另外，电机的效率为ηd =0192，一般变频器的效率在ηb=0196左右；由此我们可以推算出整个主卷电气系统的总效率为ηz=0192×0196=01883；那么，我们所选用的变频器其额定电流应该在180÷01883=204A以上。

我们看到，电机在重载加速时的电流值也只有180A(小于主卷电机的额定电流217A)，说明原设计中电机还有很大的余量没有利用；所采用的绕线电动机绕组的阻抗小，容易发生由于纹波电流而引起的过电流跳闸现象；另外，随着武钢钢材产量的逐步增加，该作业区行车的工作频率将加大，接卸的钢材品种也将多样化(包括30 t以上)。因此，变频器的等级还可加大一挡。最终，我们选择了西威系列变频器AVY81600- KXX，其额定电流为324A，功率为160kW。变频器与电机接线图如图4所示。

图4　变频器与电机接线图

3　应用效果

此变频调速系统在该车间9- 4#行车上运行了3年多，运行效果良好，现归纳总结如下：

a.由于省去了切换转子电阻的交流接触器、滑环碳刷架、碳刷、串联电阻等电气元件。避免了相应电器元件备件损耗,单机年节约维护费用20000元以上；

b. 变频调速电机的软起动,避免了机械受大力矩冲击的损伤和破坏,大大减少了机械操作人员、电气维
护人员的工作量；

c.新系统稳定可靠，从根本上解决了故障频繁的老大难问题，提高了设备的运行效率,年故障时间小于10小时；

d.控制回路的电压为DC24V，提高了操作的安全性和可靠性；

e.通过与以往数据对比，变频系统较老系统节电30%左右；

f.新系统可以根据现场情况，很方便地调整各挡速率和加减速时间，使行车操作更加灵活，反应更加迅速；

g.绕线式电机转子取消滑环碳刷后，电机本体故障率大幅下降。

4　结束语

总之，变频技术在桥式起重设备上的应用效果较为显著；我们相信通过不断完善改进，变频调速技术在该港所有桥式起重机上(包括大、小车)的使用，必然将为该港设备维护成本的降低和生产效率的提高作出贡献。