天車電氣系統變頻改造研究

賈艷波　張建樹

【摘 要】目前起重機控制的現狀據有關報道，國外發達國家的起重機，很多都采用變頻調速系統控制。即使在發展中國家的比例也比較高。我國雖然近幾年對傳統的起重機控制系統進行了一些變頻調速系統改造，并且很多起重機生產廠家開始采用變頻調速系統，但絕大部分用戶仍然使用傳統的“繞線式電動機轉子串電阻調速系統”方式（傳統調速）。通用的橋式起重機是機械制造工業中最廣泛使用的起重機械，又稱“天車”或“行車”，它是一種橫架在固定跨間上空用來吊運各種物件的設備。天車的交流異步電機啟動時沖擊電流大，設備沖擊嚴重，噪聲大，影響設備的使用壽命及定位精度。同時天車的其他費用也很高，不節能不環保采用變頻改造后可以解決以上的問題。

【關鍵詞】起重機；變頻調速系統改造；傳統調速；天車；沖擊電流大；變頻改造

1 天車改造前存在問題

在曹妃甸裝備制造廠有10臺20/5的天車，2臺32/5天車，2臺16+16天車。天車的交流異步電機啟動時沖擊電流大，設備沖擊嚴重，噪聲大，影響設備的使用壽命及定位精度。同時天車的其他費用也很高，也不節能環保。所以先對1臺20/5的天車進行電氣系統變頻改造看看能否達到業主要求。20/5噸天車電氣控制系統的變頻改造，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，每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500元左右的設備開支。在日常運行中可節約30%左右的電量，一年累計可以節省4000元的電費。日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。在控制性能方面，與傳統的切電阻系統相比，對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等能夠做到及時準確的檢測，并且能夠自動采取應變措施保護電機；還能快速響應急變負載和及時檢知瞬時功率，實現最短時間內平穩地加減速，讓電機具有很快的動態響應，并且實現無級調速，提高了控制精度。

天車傳統控制系統的構成、存在的問題及產生的原因：

1.1 天車主令控制系統的構成

原設計起重機電氣元件構造由大車、小車、主起升、副起升、照明及警報系統構成。具體元件有主回路進線開關（隔離開關、空氣開關），主進線控制接觸器，照明變壓器，腳踏開關、電鈴，控制開關，主回路及分子回路的過熱元件，主令控制箱，電機、抱閘及轉子切換電阻器。原切換方式為主令切除轉子電阻，從而控制電機轉速。保護系統是通過限位控制主進線接觸器達到保護目的。

1.2 傳統控制系統容易出現的問題

（1）起動電流過大，對電網沖擊大；

（2）機械設備使用壽命過短，電機連軸器、鋼繩等機械易磨損；

（3）接觸器、繼電器等電器元件的觸頭、線圈經常燒壞；

（4）電動機故障率高。而維修起重機屬于高空作業，極不方便，而且起重機故障很大程度上影響了生產進度。

1.3 產生故障的原因

（1）拖動電動機容量大，起動時電流對電網沖擊大，而且電動機一直在額定轉矩下工作，電能浪費嚴重。

（2）天車升降、小車、大車起動、停止速度過快，而且都是慣性負載，機械沖擊也較大，機械設備使用壽命縮短，操作人員的安全系數較差，設備運行可靠性較低。

（3）天車每天需進行大量的搬運工作，由于繞線式電機調速是通過電氣驅動系統中的主要控制元件——交流接觸器并通過繼電器來接入和斷開電動機轉子上串接的電阻，切換十分頻繁，在電流比較大的狀態下，容易燒壞觸頭和線圈。同時因工作環境惡劣，轉子回路串接的銅電阻因灰塵、設備振動等原因經常燒壞、斷裂。因而設備故障率比較高，維修工作量比較大。同樣小車、大車的運轉也存在上述問題。

（4）在天車起升的瞬間，升降電動機有時會受力不均勻，易過載，直接造成電機損壞或者鋼絲繩斷裂。

（5）為適應天車的工況，操作人員經常性的反復操作，導致起重機的電器元件和電動機始終處于大電流工作狀態，降低了電器元件和電動機的使用壽命。

2 天車電氣系統變頻改造后的構造及優勢

2.1 天車電氣系統變頻改造后的構造

原設計控制方式有原來的主令切電阻調速，改成變頻調速。原電機的轉子星點短封，同時在主鉤、副鉤、大車、小車主回路系統增加4臺變頻器，各變頻器進線端加增足夠容量的空氣開關。原主令控制器線路一組正反切換接點、主令電阻切除接點更改到變頻控制單元模塊。其中正反轉主令取正反兩接點接入變頻的正反控制，在變頻設置中設定輸入端子為正反控制輸出。從主令控制器中可看出原設計有4段速，把主令接點引入到變頻頻段控制端子，考慮到使用需要，在變頻器中設定3段速度就可以，分別為10、25、45HZ。這在低速的穩定和高速的行駛中能確保安全，同時也使電機運行曲線更平滑，機械設備更穩定。由于變頻器有熱保護功能，為了節省空間，原設計主鉤、副鉤、小車過熱取消，大車變頻器由于是帶兩臺電機，變頻的熱保護功能不能實現分別保護兩臺電機的功能，所有大車熱保護繼續投入運行系統對于抱閘系統的控制，增加4個抱閘控制接觸器。起升回路通過變頻器的多功能接點輸出，控制抱閘啟停。對于行走回路可以使用主令控制器的另組接點控制抱閘的吸合，也可以通過變頻器的多功能接點輸出控制。由于變頻器不可以頻繁啟停動作，建議將原設計的限位串聯到給變頻的正反控制回路中。當然在限位不經常動作的使用環境，考慮到要盡少的變更原設計的問題，可以在保證不頻繁動作限位的情況下不更改限位回路，也就是通過限位控制主回路進線接觸器從而實現限位保護。所示圖1主電源控制系統。

針對轉子切電阻電氣系統中的不足，首先應該改進的是交流電動機的調速方式，改進過程當中首選變頻調速方式。因為變頻調速控制系統具有以下幾個優點：

（1）變頻器調速控制系統的保護功能強

使用變頻器控制電機的運行，可以進行電機的軟啟動，而讓電機具有很快的動態響應并且實現無級調速；對電源的缺相、欠壓、過壓、過流等都能做到很及時準確的檢測而自動采取應變措施保護電機；

（2）工作可靠性顯著提高

原拖動系統是在運動的狀態下進行抱閘的，采用變頻調速后，可以在基本停住的狀態下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

控制系統的故障率大為下降 原系統是由于十分復雜的接觸器、繼電器系統進行控制的，故障率較高。采用了變頻調速控制系統后，控制系統大大簡化，可靠性大為提高；停電減速功能 可以在意外停電時使起重機減速停止，消除了突然停車所帶來的隱患。

（3）節能效果十分可觀

繞線轉子異步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。采用變頻調速系統后，外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約，而且在電機頻繁的啟動中。這樣，每小時節省的電費相當可觀。

（4）調速質量明顯提高

采用了變頻調速系統后，調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。

3 改造后的工作報告

在曹妃甸裝備制造廠正式投入使用，得到了業主的高度贊許。如圖5所示。

3.1 在節能方面

系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統的功率因數和整機工作效率，節能效果顯著，平均節電率可達30%以上，一年累計可以節省4000元的電費。每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500元左右的設備開支。日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。

3.2 在控制性能方面

與傳統的切電阻系統相比，天車采用變頻控制后使整機性能有較大的提高.如起升行走平滑，穩定，被吊物件定位準確.根據需要上下，前后，左右，操作都可以無級變速，適應各種實用場合，加上變頻器自身保護功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了天車故障，提高了安全性能。同時變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊，有利于車間內其它設備正常運行。有如下優點：

圖5 變頻改造完成后的控制柜

（1）速范圍寬，可實現有精確控制定位要求的作業；

（2）軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；

（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接線復雜問題，不僅降低了系統故障機率，而且易維護；

（4）電動機在低速時，能200%力矩輸出，即使制動器松動或失靈時，也不會出現重物下滑，確保系統安全可靠；

（5）具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能；

（6）采用變頻調速系統后，可完全杜絕操作人員違章操作。

通過此次20/5噸變頻天車改造，進一步鍛煉了自身的設計與施工能力，加強了技術與人員儲備，為下一步在天車變頻改造領域開拓市場奠定了良好基礎。本次技術改造是將大車、小車、主鉤和副鉤系統全部改成變頻，當然也可以根據需要，單獨對大車、小車、主鉤和副鉤系統中任意部分進行改造。相對來說，變頻控制對我們來說是一種投資較大、回報較慢的新興技術，但是從長遠來說，日積月累，節省的開支相當可觀：在相同的使用條件下，可以節省30%左右的電量。而且，可以節省大量的人工維護費用。

[責任編輯：丁艷]

（2）工作可靠性顯著提高

原拖動系統是在運動的狀態下進行抱閘的，采用變頻調速后，可以在基本停住的狀態下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

控制系統的故障率大為下降 原系統是由于十分復雜的接觸器、繼電器系統進行控制的，故障率較高。采用了變頻調速控制系統后，控制系統大大簡化，可靠性大為提高；停電減速功能 可以在意外停電時使起重機減速停止，消除了突然停車所帶來的隱患。

（3）節能效果十分可觀

繞線轉子異步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。采用變頻調速系統后，外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約，而且在電機頻繁的啟動中。這樣，每小時節省的電費相當可觀。

（4）調速質量明顯提高

采用了變頻調速系統后，調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。

3 改造后的工作報告

在曹妃甸裝備制造廠正式投入使用，得到了業主的高度贊許。如圖5所示。

3.1 在節能方面

系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統的功率因數和整機工作效率，節能效果顯著，平均節電率可達30%以上，一年累計可以節省4000元的電費。每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500元左右的設備開支。日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。

3.2 在控制性能方面

與傳統的切電阻系統相比，天車采用變頻控制后使整機性能有較大的提高.如起升行走平滑，穩定，被吊物件定位準確.根據需要上下，前后，左右，操作都可以無級變速，適應各種實用場合，加上變頻器自身保護功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了天車故障，提高了安全性能。同時變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊，有利于車間內其它設備正常運行。有如下優點：

圖5 變頻改造完成后的控制柜

（1）速范圍寬，可實現有精確控制定位要求的作業；

（2）軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；

（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接線復雜問題，不僅降低了系統故障機率，而且易維護；

（4）電動機在低速時，能200%力矩輸出，即使制動器松動或失靈時，也不會出現重物下滑，確保系統安全可靠；

（5）具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能；

（6）采用變頻調速系統后，可完全杜絕操作人員違章操作。

通過此次20/5噸變頻天車改造，進一步鍛煉了自身的設計與施工能力，加強了技術與人員儲備，為下一步在天車變頻改造領域開拓市場奠定了良好基礎。本次技術改造是將大車、小車、主鉤和副鉤系統全部改成變頻，當然也可以根據需要，單獨對大車、小車、主鉤和副鉤系統中任意部分進行改造。相對來說，變頻控制對我們來說是一種投資較大、回報較慢的新興技術，但是從長遠來說，日積月累，節省的開支相當可觀：在相同的使用條件下，可以節省30%左右的電量。而且，可以節省大量的人工維護費用。

[責任編輯：丁艷]

（2）工作可靠性顯著提高

原拖動系統是在運動的狀態下進行抱閘的，采用變頻調速后，可以在基本停住的狀態下進行抱閘，閘皮的磨損情況大為改善；

控制系統的故障率大為下降 原系統是由于十分復雜的接觸器、繼電器系統進行控制的，故障率較高。采用了變頻調速控制系統后，控制系統大大簡化，可靠性大為提高；停電減速功能 可以在意外停電時使起重機減速停止，消除了突然停車所帶來的隱患。

（3）節能效果十分可觀

繞線轉子異步電動機在低速運行時，轉子回路的外接電阻內消耗大量的電能。采用變頻調速系統后，外接電阻內消耗的大量電能可以完全節約，而且在電機頻繁的啟動中。這樣，每小時節省的電費相當可觀。

（4）調速質量明顯提高

采用了變頻調速系統后，調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。

3 改造后的工作報告

在曹妃甸裝備制造廠正式投入使用，得到了業主的高度贊許。如圖5所示。

3.1 在節能方面

系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統的功率因數和整機工作效率，節能效果顯著，平均節電率可達30%以上，一年累計可以節省4000元的電費。每年的設備更新費用可降低50%，檢修維護費用可降低80%，總計可以節約5500元左右的設備開支。日積月累，從長遠來說，節省的開支相當可觀。

3.2 在控制性能方面

與傳統的切電阻系統相比，天車采用變頻控制后使整機性能有較大的提高.如起升行走平滑，穩定，被吊物件定位準確.根據需要上下，前后，左右，操作都可以無級變速，適應各種實用場合，加上變頻器自身保護功能齊全，如過流，過載，過壓等都能及時報警及停止，減少了天車故障，提高了安全性能。同時變頻器具有限流作用，可以減少啟動時對電網沖擊，有利于車間內其它設備正常運行。有如下優點：

圖5 變頻改造完成后的控制柜

（1）速范圍寬，可實現有精確控制定位要求的作業；

（2）軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；

（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接線復雜問題，不僅降低了系統故障機率，而且易維護；

（4）電動機在低速時，能200%力矩輸出，即使制動器松動或失靈時，也不會出現重物下滑，確保系統安全可靠；

（5）具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能；

（6）采用變頻調速系統后，可完全杜絕操作人員違章操作。

通過此次20/5噸變頻天車改造，進一步鍛煉了自身的設計與施工能力，加強了技術與人員儲備，為下一步在天車變頻改造領域開拓市場奠定了良好基礎。本次技術改造是將大車、小車、主鉤和副鉤系統全部改成變頻，當然也可以根據需要，單獨對大車、小車、主鉤和副鉤系統中任意部分進行改造。相對來說，變頻控制對我們來說是一種投資較大、回報較慢的新興技術，但是從長遠來說，日積月累，節省的開支相當可觀：在相同的使用條件下，可以節省30%左右的電量。而且，可以節省大量的人工維護費用。

[責任編輯：丁艷]