散糧抓斗與門機變頻器的控制關系分析
——一起變頻器故障導致門機抓斗動作故障的處理

◎ 王康興

（連云港東糧碼頭有限公司，江蘇 連云港 222000）

門座起重機（以下簡稱門機）具有諸多優勢，其性能優異，工作效率高，在港口生產中得以普遍應用。連云港東糧碼頭有限公司（以下簡稱東糧公司）使用的門座起重機主要包括行走機構、旋轉機構、起升結構、變幅結構4大動作機構，均采用變頻器驅動。

1 門機起升機構簡述

門機起升機構主要包括驅動機構、剎車制動機構、傳動裝置（減速機等）、卷筒裝置（起升、開閉兩個）、鋼絲繩、取料裝置（吊鉤或抓斗）[1]。當司機動作主令控制器手柄時，輸入信號通過PLC向變頻器發出信號，控制起升機構電動機的運轉速度及方向，經過減速機低速軸帶動鋼絲繩卷筒，控制兩根鋼絲繩的卷入及放出，當主令回到零位時，電動機停止運行，制動器動作，對電機進行剎車制動。東糧公司碼頭經常進行散貨糧食及化肥的裝卸作業，起升工作機構的利用等級一般為A6～A7。其中起升機構共有4根鋼絲繩進行驅動，分為兩組，起升1：主牽引鋼絲繩；支持2：副牽引及鋼絲繩開閉。

起升機構共有2臺電機，設置在機器房內，采用三相變頻電機驅動。兩套起升機構既可單動又可聯動，2臺起升電機都配有制動器。起升機構包括吊鉤、抓斗兩種工況，吊鉤狀況下可用支持單機、開閉單機、吊鉤；抓斗狀況下，雙機操作。

當起升機構雙機動作時，需滿足起升1、起升2兩個零位條件，且上電正常、起升手柄正常。當單機動作時，只需滿足相應的單機零位條件。

2 異步電動機概述

2.1 異步電動機的變頻調速原理

三相異步電動機轉速的計算公式為：

式中：f代表電源頻率，p為極對數，s代表轉差率。

通過公式（1）可知，調整電源頻率f可以控制電動機主軸運轉速度，從而實現無級調速的效果。

變頻調速技術，調速效率高，屬于高效調速方式，能夠根據門機司機操作的需要發揮出理想的調速性能，另外，由于變頻器具備軟啟動功能以及內部濾波電容的作用，減輕了大功率電機啟動時對電網的沖擊，降低了無功損耗，能夠節能降耗，因而在現代港口裝卸設備中得到了廣泛應用，變頻器以其理想的特性組成了門機的重要部分[2]。

2.2 變頻器的結構形式

2.2.1 主回路

主回路是異步電動機提供調頻調壓電源的電力變換部分，主要包括3大組成部分。

（1）整流器：一般由真空管、引燃管、固態矽半導體二極管、汞弧等制成。將工頻交流電源（一般為380 V）進行轉換成為直流電源，即AC-DC轉換。

（2）濾波器：由于經過整流器處理得到的直流電源受到脈動影響后，電源信號會出現一定幅度的波動，為了得到門機司機特定的頻率信號，就需要通過直流電阻器或者電容器對這些波動進行有效濾除。

（3）逆變器：由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成，是一種將直流電（DC）轉化為交流電（AC）的裝置，經逆變器處理好的交流電源將提供給對應的電動機，以達到變頻調速的效果。

2.2.2 控制回路

控制回路主要包括主控板、驅動板、電源板、PG卡、通訊卡等。

2.2.3 變頻器故障及處理

一般來說，變頻器自帶故障診斷功能，當故障發生時，可及時實現對相關部分的有效保護。故障未解決前，顯示屏將提示故障代碼，指導故障原因分析，便于故障及時解決[3]。故障解決后，故障將會被記錄下來，并保存在變頻器的歷史記錄中，便于將來的故障處理。與之類似的一項是變頻器報警，報警功能一般不影響變頻器的正常運行。為了保護設備，變頻器擁有過電流、過電壓、過低電壓等保護功能。保護功能被啟動時會切斷變頻器輸出，停止電機，此狀態保持到強制重置（復位）[4]。

下面將基于東糧公司使用的散貨抓斗的門機應用變頻器發生的一起起升故障進行相關探討。

3 故障發生情況

2021年5月12日晚22:30，門機司機報告在抓料起升旋轉聯動至糧食漏斗正常操作時，抓斗突然開斗，大豆撒漏，進行閉斗操作正常，為防止造成高空墜物等安全隱患，門機停止作業。23:05，技術人員到達現場進行處理，依次檢查CMS系統、故障監視屏、PLC以及起升變頻器，均未出現故障。對此故障進行判斷性處理，認為右操作臺鋼絲繩模式控制旋鈕出現故障或輸入信號線路問題，對此進行了旋鈕的更換和線路、主令控制器的排查，現場模擬抓料以及斷電情況下操動手柄，并在5月13日0:30進行了實際抓料，實時監控并未出現自動開斗的故障。

5月13日15:30左右，再次出現同類故障，技術人員于16:25到達現場，重新進行排查，此時在起升1變頻器的面板上檢測到了“IGBT過熱警告”，用測溫槍檢測變頻器，表面溫度達到72 ℃。立即進行相關電路的斷電，拆解變頻器后發現變頻器散熱風扇故障，通過進一步檢測發現變頻器電源板中散熱風扇的輸出繼電器出現了故障，對其進行更換后問題得到解決。

4 故障分析

4.1 故障發生原理

故障后，起升1變頻器未向PLC輸出故障信號，CMS系統、監控顯示屏、PLC控制系統均顯示正常，門機司機仍正常作業，但實際上起升1變頻器已停止工作，起升1鋼絲繩卷筒及其驅動鋼絲繩無法動作。在正常起升時，雖然控制模式在抓斗模式（4根鋼絲繩同時起升），但由于起升1的故障，導致只有起升2鋼絲繩在動作，起升2鋼絲繩只作為輔助牽引，故原起升動作使鋼絲繩上升，但實際上卻使抓斗開斗（原下降動作實際上使抓斗閉斗）。

4.2 故障發生原因

（1）起升1支持變頻器電源板上的輸出繼電器故障，導致變頻器散熱風扇無法啟動，變頻器系統中所釋放的熱量不斷累加，變頻器IGBT過熱報警，起升1變頻器停止運行，由于“IGBT過熱”屬于報警而不屬于故障，故門機的PLC控制系統未收到此信號，控制系統正常運行，對查找故障根源帶來麻煩[5]。

（2）散熱風扇運行與否是開環系統，對變頻器本身無反饋信號。

（3）IGBT過熱在隨著門機變頻器停止作業后，電氣柜及電氣室的散熱系統不斷工作，使變頻器快速降溫，降到臨界點即可以自復位，不保留此報警信號，散熱風扇在變頻器內部也無法觀察其運行狀態，變頻器的降溫是外界原因還是設備自身未進行區別，對故障查找帶來阻礙。

5 改進方案

（1）IGBT過熱警告應納入變頻器故障信號，由于設備過熱在設備自然降溫后會進行自復位，僅能在報警記錄里查找到，這對故障的查找及解決造成了阻礙，由于IGBT過熱故障導致了變頻器的實際停機，所以此故障必須設置為不可自復位，并且向門機PLC控制系統輸出停機信號。

（2）針對雙機吊鉤模式以及抓斗模式這兩種2組模式，尤其是散料及鐵合金抓斗，抓斗狀態門機的操作必須將起升1和起升2的變頻器運行信號同時串入PLC程序，防止此類情況的發生，預防貨物撒漏以及高空墜物的風險隱患。

（3）變頻器散熱風扇的運行信號應對變頻器本身設置反饋點，由于變頻器長時間運行熱量很高，即使電氣室設置有空調，變頻器電氣柜設置有散熱風扇，但仍不足以將變頻器的熱量散發，所以散熱風扇的不正常運行狀態，可導致該變頻器的故障停機。

6 結語

近年來，隨著公司國際化散糧集散中心進程的逐步推進，散糧碼頭的裝卸業務取得跨越式發展。公司生產日益繁忙，設備利用率逐月提高，設備的日常保養和維修壓力不斷增加。而公司在門座起重機利用率高的情況下必須優先解決安全隱患，而減少故障率、增加設備完好率又是提高生產效率的必要條件。變頻器的故障警示應用到電氣設備預知性維修過程中具有重要的作用，能夠有效提高設備故障的檢測效率，避免出現重大設備安全事故，降低事故發生概率，能夠為港口裝卸電氣設備發展提供依據及保證。