天車電氣系統(tǒng)變頻改造研究

賈艷波 張建樹(shù)

（中國(guó)二十二冶集團(tuán)有限公司 機(jī)電公司，河北 唐山064000）

1 天車改造前存在問(wèn)題

在曹妃甸裝備制造廠有 10 臺(tái) 20/5 的天車，2 臺(tái) 32/5 天車，2 臺(tái)16+16 天車。 天車的交流異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大，設(shè)備沖擊嚴(yán)重，噪聲大，影響設(shè)備的使用壽命及定位精度。 同時(shí)天車的其他費(fèi)用也很高，也不節(jié)能環(huán)保。 所以先對(duì)1 臺(tái)20/5 的天車進(jìn)行電氣系統(tǒng)變頻改造看看能否達(dá)到業(yè)主要求。 20/5 噸天車電氣控制系統(tǒng)的變頻改造，目的在于降低天車的使用成本和提高控制性能。 以此車為例，每年的設(shè)備更新費(fèi)用可降低50%，檢修維護(hù)費(fèi)用可降低80%，總計(jì)可以節(jié)約5500元左右的設(shè)備開(kāi)支。 在日常運(yùn)行中可節(jié)約30%左右的電量，一年累計(jì)可以節(jié)省4000 元的電費(fèi)。 日積月累，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，節(jié)省的開(kāi)支相當(dāng)可觀。在控制性能方面，與傳統(tǒng)的切電阻系統(tǒng)相比，對(duì)電源的缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等能夠做到及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)，并且能夠自動(dòng)采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)；還能快速響應(yīng)急變負(fù)載和及時(shí)檢知瞬時(shí)功率，實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間內(nèi)平穩(wěn)地加減速，讓電機(jī)具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并且實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，提高了控制精度。

天車傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成、存在的問(wèn)題及產(chǎn)生的原因：

1.1 天車主令控制系統(tǒng)的構(gòu)成

原設(shè)計(jì)起重機(jī)電氣元件構(gòu)造由大車、小車、主起升、副起升、照明及警報(bào)系統(tǒng)構(gòu)成。 具體元件有主回路進(jìn)線開(kāi)關(guān)（隔離開(kāi)關(guān)、空氣開(kāi)關(guān)），主進(jìn)線控制接觸器，照明變壓器，腳踏開(kāi)關(guān)、電鈴，控制開(kāi)關(guān)，主回路及分子回路的過(guò)熱元件，主令控制箱，電機(jī)、抱閘及轉(zhuǎn)子切換電阻器。 原切換方式為主令切除轉(zhuǎn)子電阻， 從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 保護(hù)系統(tǒng)是通過(guò)限位控制主進(jìn)線接觸器達(dá)到保護(hù)目的。

1.2 傳統(tǒng)控制系統(tǒng)容易出現(xiàn)的問(wèn)題

（1）起動(dòng)電流過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)沖擊大；

（2）機(jī)械設(shè)備使用壽命過(guò)短， 電機(jī)連軸器、 鋼繩等機(jī)械易磨損；

（3）接觸器、繼電器等電器元件的觸頭、線圈經(jīng)常燒壞；

（4）電動(dòng)機(jī)故障率高。 而維修起重機(jī)屬于高空作業(yè)， 極不方便， 而且起重機(jī)故障很大程度上影響了生產(chǎn)進(jìn)度。

1.3 產(chǎn)生故障的原因

（1）拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)容量大， 起動(dòng)時(shí)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊大， 而且電動(dòng)機(jī)一直在額定轉(zhuǎn)矩下工作， 電能浪費(fèi)嚴(yán)重。

（2）天車升降、小車、大車起動(dòng)、停止速度過(guò)快，而且都是慣性負(fù)載，機(jī)械沖擊也較大，機(jī)械設(shè)備使用壽命縮短，操作人員的安全系數(shù)較差，設(shè)備運(yùn)行可靠性較低。

（3）天車每天需進(jìn)行大量的搬運(yùn)工作，由于繞線式電機(jī)調(diào)速是通過(guò)電氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主要控制元件——交流接觸器并通過(guò)繼電器來(lái)接入和斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態(tài)下，容易燒壞觸頭和線圈。同時(shí)因工作環(huán)境惡劣，轉(zhuǎn)子回路串接的銅電阻因灰塵、設(shè)備振動(dòng)等原因經(jīng)常燒壞、斷裂。因而設(shè)備故障率比較高，維修工作量比較大。 同樣小車、大車的運(yùn)轉(zhuǎn)也存在上述問(wèn)題。

（4）在天車起升的瞬間，升降電動(dòng)機(jī)有時(shí)會(huì)受力不均勻，易過(guò)載，直接造成電機(jī)損壞或者鋼絲繩斷裂。

（5）為適應(yīng)天車的工況，操作人員經(jīng)常性的反復(fù)操作，導(dǎo)致起重機(jī)的電器元件和電動(dòng)機(jī)始終處于大電流工作狀態(tài)，降低了電器元件和電動(dòng)機(jī)的使用壽命。

2 天車電氣系統(tǒng)變頻改造后的構(gòu)造及優(yōu)勢(shì)

2.1 天車電氣系統(tǒng)變頻改造后的構(gòu)造

原設(shè)計(jì)控制方式有原來(lái)的主令切電阻調(diào)速，改成變頻調(diào)速。 原電機(jī)的轉(zhuǎn)子星點(diǎn)短封，同時(shí)在主鉤、副鉤、大車、小車主回路系統(tǒng)增加4臺(tái)變頻器，各變頻器進(jìn)線端加增足夠容量的空氣開(kāi)關(guān)。 原主令控制器線路一組正反切換接點(diǎn)、 主令電阻切除接點(diǎn)更改到變頻控制單元模塊。 其中正反轉(zhuǎn)主令取正反兩接點(diǎn)接入變頻的正反控制，在變頻設(shè)置中設(shè)定輸入端子為正反控制輸出。 從主令控制器中可看出原設(shè)計(jì)有4段速，把主令接點(diǎn)引入到變頻頻段控制端子，考慮到使用需要，在變頻器中設(shè)定3 段速度就可以，分別為10、25、45HZ。這在低速的穩(wěn)定和高速的行駛中能確保安全，同時(shí)也使電機(jī)運(yùn)行曲線更平滑，機(jī)械設(shè)備更穩(wěn)定。由于變頻器有熱保護(hù)功能，為了節(jié)省空間，原設(shè)計(jì)主鉤、副鉤、小車過(guò)熱取消，大車變頻器由于是帶兩臺(tái)電機(jī)，變頻的熱保護(hù)功能不能實(shí)現(xiàn)分別保護(hù)兩臺(tái)電機(jī)的功能，所有大車熱保護(hù)繼續(xù)投入運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)于抱閘系統(tǒng)的控制，增加4 個(gè)抱閘控制接觸器。 起升回路通過(guò)變頻器的多功能接點(diǎn)輸出，控制抱閘啟停。 對(duì)于行走回路可以使用主令控制器的另組接點(diǎn)控制抱閘的吸合，也可以通過(guò)變頻器的多功能接點(diǎn)輸出控制。 由于變頻器不可以頻繁啟停動(dòng)作，建議將原設(shè)計(jì)的限位串聯(lián)到給變頻的正反控制回路中。 當(dāng)然在限位不經(jīng)常動(dòng)作的使用環(huán)境，考慮到要盡少的變更原設(shè)計(jì)的問(wèn)題，可以在保證不頻繁動(dòng)作限位的情況下不更改限位回路，也就是通過(guò)限位控制主回路進(jìn)線接觸器從而實(shí)現(xiàn)限位保護(hù)。 所示圖1 主電源控制系統(tǒng)。

圖1 主電源控制系統(tǒng)

圖2 主、副鉤及大車電氣控制系統(tǒng)

圖3 小車電氣控制系統(tǒng)

圖4 主令接線圖

針對(duì)轉(zhuǎn)子切電阻電氣系統(tǒng)中的不足，首先應(yīng)該改進(jìn)的是交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式，改進(jìn)過(guò)程當(dāng)中首選變頻調(diào)速方式。因?yàn)樽冾l調(diào)速控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）變頻器調(diào)速控制系統(tǒng)的保護(hù)功能強(qiáng)

使用變頻器控制電機(jī)的運(yùn)行，可以進(jìn)行電機(jī)的軟啟動(dòng)，而讓電機(jī)具有很快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)并且實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；對(duì)電源的缺相、欠壓、過(guò)壓、過(guò)流等都能做到很及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)而自動(dòng)采取應(yīng)變措施保護(hù)電機(jī)；

（2）工作可靠性顯著提高

原拖動(dòng)系統(tǒng)是在運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘的，采用變頻調(diào)速后，可以在基本停住的狀態(tài)下進(jìn)行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

控制系統(tǒng)的故障率大為下降 原系統(tǒng)是由于十分復(fù)雜的接觸器、繼電器系統(tǒng)進(jìn)行控制的，故障率較高。 采用了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，可靠性大為提高；停電減速功能 可以在意外停電時(shí)使起重機(jī)減速停止，消除了突然停車所帶來(lái)的隱患。

（3）節(jié)能效果十分可觀

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)， 轉(zhuǎn)子回路的外接電阻內(nèi)消耗大量的電能。采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，外接電阻內(nèi)消耗的大量電能可以完全節(jié)約， 而且在電機(jī)頻繁的啟動(dòng)中。 這樣，每小時(shí)節(jié)省的電費(fèi)相當(dāng)可觀。

（4）調(diào)速質(zhì)量明顯提高

采用了變頻調(diào)速系統(tǒng)后，調(diào)速平穩(wěn)，能夠長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，具有很高的定位精度和運(yùn)行效率。

3 改造后的工作報(bào)告

在曹妃甸裝備制造廠正式投入使用， 得到了業(yè)主的高度贊許。 如圖5 所示。

3.1 在節(jié)能方面

系統(tǒng)所用變頻器，具有自動(dòng)節(jié)能操作模式，能較大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和整機(jī)工作效率， 節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率可達(dá)30%以上，一年累計(jì)可以節(jié)省4000 元的電費(fèi)。每年的設(shè)備更新費(fèi)用可降低50%，檢修維護(hù)費(fèi)用可降低80%，總計(jì)可以節(jié)約5500 元左右的設(shè)備開(kāi)支。 日積月累，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，節(jié)省的開(kāi)支相當(dāng)可觀。

3.2 在控制性能方面

與傳統(tǒng)的切電阻系統(tǒng)相比，天車采用變頻控制后使整機(jī)性能有較大的提高.如起升行走平滑，穩(wěn)定，被吊物件定位準(zhǔn)確.根據(jù)需要上下，前后，左右，操作都可以無(wú)級(jí)變速，適應(yīng)各種實(shí)用場(chǎng)合，加上變頻器自身保護(hù)功能齊全，如過(guò)流，過(guò)載，過(guò)壓等都能及時(shí)報(bào)警及停止，減少了天車故障，提高了安全性能。同時(shí)變頻器具有限流作用，可以減少啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)沖擊，有利于車間內(nèi)其它設(shè)備正常運(yùn)行。 有如下優(yōu)點(diǎn)：

圖5 變頻改造完成后的控制柜

（1）速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；

（2）軟啟動(dòng)、軟停止的功能降低了機(jī)械傳動(dòng)沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命；

（3）高集成度組件及高可靠性低壓電器，有效解決原電氣系統(tǒng)接線復(fù)雜問(wèn)題，不僅降低了系統(tǒng)故障機(jī)率，而且易維護(hù)；

（4）電動(dòng)機(jī)在低速時(shí)，能200%力矩輸出，即使制動(dòng)器松動(dòng)或失靈時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠；

（5）具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)溜鉤并真正實(shí)現(xiàn)“零速交叉”功能；

（6）采用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，可完全杜絕操作人員違章操作。

通過(guò)此次20/5 噸變頻天車改造， 進(jìn)一步鍛煉了自身的設(shè)計(jì)與施工能力，加強(qiáng)了技術(shù)與人員儲(chǔ)備，為下一步在天車變頻改造領(lǐng)域開(kāi)拓市場(chǎng)奠定了良好基礎(chǔ)。本次技術(shù)改造是將大車、小車、主鉤和副鉤系統(tǒng)全部改成變頻，當(dāng)然也可以根據(jù)需要，單獨(dú)對(duì)大車、小車、主鉤和副鉤系統(tǒng)中任意部分進(jìn)行改造。 相對(duì)來(lái)說(shuō)，變頻控制對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一種投資較大、回報(bào)較慢的新興技術(shù)，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，日積月累，節(jié)省的開(kāi)支相當(dāng)可觀：在相同的使用條件下，可以節(jié)省30%左右的電量。 而且，可以節(jié)省大量的人工維護(hù)費(fèi)用。