起重機可控硅技術的應用與改進

河鋼股份有限公司承德分公司 劉躍強

長期以來人們在電動機的調速和轉矩控制上做過了大量的研究，嘗試過使用各種不同形式的調速方法，隨著大功率和高開關頻率的半導體器件的開發研制成功，可控硅整流技術普及應用廣泛。

C鋼鐵企業280噸鑄造起重機電機調速控制應用最多的是采用MH美恒公司研制和開發的THYROMAT系列可控硅定子調壓調速裝置，通過調壓和正反向接觸器切換完成三相繞線式電動機的調速。由于接觸器本身壽命問題，線路感應電壓問題，容易出現“非指令性”動作現象，通過升級改造，將接觸器換向方式升級為可控硅換向方式，從而杜絕了因接觸器造成的設備間歇性故障現象。

本文首先介紹了起重機電機調壓調速原理，對接觸器控制與可控硅控制方式進行了比較，以案例形式對C鋼鐵企業280噸鑄造起重機的“非指令性”動作現象進行分析和改進，有效提升了設備運行的穩定性。

1 電機控制方式

1.1 接觸器控制

起重機電機的運行通常由多臺交流接觸器控制，C鋼鐵企業50噸位以上的起重機起升機構，均采用了定子調壓調速裝置和接觸器配合控制方式，如圖1所示。本文對于傳統接觸控制不進行詳述。

圖1 起升機構控制原理圖

換向接觸動作時，電機得電驅動起升機構運行。當給定的上升指令到某一檔時，定子調壓調速裝置控制上升接觸器吸合，控制電機沿著加速參數規定的模式平穩運行。當給定的下降指令到1、2、3檔時，定子調壓調速裝置控制上升接觸器吸合，由于被吊物自身重力拉到機構向下運行，使電動機處于反接制動狀態；下降指令速度到4檔時，定子調壓調速裝置控制下降接觸器吸合，使電動機處于反向電動狀態，如電動機下降速度超過同步速處于再生發電制動狀態。

電機轉子串接了電阻消耗低速運行時產生的熱能，調整電機運行速度的變化。上升調速時，轉子接觸器吸合切除1段電阻，增加電機啟動力矩；給定全速上升時，定子調壓調速裝置控制轉子接觸器閉合，分別切除2、3段電阻，使電機平滑過渡到全速，又使切換電流得到控制。下降調速時，為了降低電機電流，確保電機轉矩足夠，增加最后1段電阻，四段電阻全部串聯到電機轉子上；給定全速下降時，定子調壓調速裝置控制轉子接觸器閉合，分別切除2、3段電阻，使電動機處于再生發電制動時，速度限制在允許范圍內。

1.2 可控硅控制

可控硅又稱晶閘管是一種具有三個PN結的四層結構的大功率半導體器件。定子調壓調速裝置采用可控硅換向，通過控制可控硅的觸發角度來改變背對背并聯的可控硅進行換向，同時能夠調節電機定子電壓。裝置具有電氣連鎖，以確保系統啟動時，指令必須在零位才能動作。由于裝置是沿斜波連續加速和減速的，能夠電機和減速機等機構的沖擊減到最小，電流可以限制在滿載電流的兩倍內。

1.3 兩種控制對比

起升機構采用可控硅換向不同之處，是由可控硅代替了交流接觸器，放置于調壓調速裝置內部，優勢主要體現在動作速度快、無機械阻卡、無觸點粘連、無吸合噪音、使用周期長、安全性能高等方面，對比如表1所示。

表1 對比表

2 可控硅換向改造

C鋼鐵企業煉鋼現場的鋼包跨、加料跨共6臺280噸鑄造起重機的起升機構都是采用MH美恒公司研制和開發的THYROMAT系列可控硅定子調壓調速裝置產品，通過調壓和正反向接觸器切換完成三相繞線式電動機的調速，由于接觸器機械阻卡、觸點粘連、動作速度等原因，起升機構曾多次出現“非指令性”動作現象。論證后決定通過升級改造，將接觸器換向方式升級為可控硅換向方式，從根本上杜絕因接觸器造成的“非指令性”動作現象。

2.1 電機主要參數

鋼包跨51#、52#、55#起重機和加料跨31#、32#起重機主起升系統的主要參數相同，主起升系統采用繞線式電動機雙驅動，其中31#、32#、55#起重機電動機為天元產的400KW電機，51#、55#起重機主起升電機為佳木斯產的400KW電機。主起升噸位280噸，主起升鉤頭速度1-10m/min，主起升電機參數如表2所示。

表2 主起升電機參數

加料跨35#起重機主起升主要參數與其他5臺起重機不同，35#起重機主要用于提釩煉鋼，不負責吊運-18米地坑接鐵水的鋼包，所用電機為佳木斯產355KW電機。主起升噸位280噸，主起升鉤頭速度0.8-8m/min，主起升電機參數如表3所示。

表3 主起升電機參數

2.2 現場問題分析

在重載下降4檔全速運行時，司機檔位回至3檔，主起升鉤頭速度不減反增，且電機發出異響，即出現“非指令性”動作現象。通過多種模擬測試，發現主起升的換向接觸器1KM2的輔助觸點有損壞的情況，也發現PLC程序中缺少相應保護功能。

分析主起升控制過程，正反向接觸器1KM1，1KM2有機械互鎖也有電氣互鎖，當下降4檔運行時，即1KM2接觸器吸合，當檔位回至3檔時，正常1KM2斷開，1KM1吸合，電機處于反接制動狀態，減速至3檔速度。但由于1KM2的輔助觸點損壞，PLC中又未有相關保護，造成1KM1無法吸合，電機失電無力矩，重物處于自由落體向下運行，電機發出異響，發生“非指令性”動作現象。

2.3 改進措施及效果

根據模擬測試現象對280噸鑄造起重機主起升PLC程序進行重新設計，尤其是需要調壓裝置與PLC的聯合保護控制增加保護功能，例如（不限于以下保護功能）：接觸器故障保護、單電機誤選擇故障保護、電動機電流不平衡故障保護、抱閘接觸器的保護等。

主起升機構換向接觸器曾多次出現故障，為了提高可靠性增強安全性必須進行升級改造。不采用接觸器換向方式，采用可換硅換向式的無觸點調壓調速裝置驅動，帶DP通訊功能，將運行數據通過PLC傳輸到PDA儲存顯示。替換下元件可作為其他車備件，徹底解決由換向接觸器故障引起的“非指令性”動作現象。

C鋼鐵企業煉鋼現場6臺280噸鑄造起重機的起升機構升級改造后，已經使用1年多，再未出現“非指令性”動作現象。可控硅換向式的無觸點調壓調速裝置具有DP通訊功能，通過PLC監控，有效地診斷當前狀態是否異常，改進的雙抱閘控制方式，大大提高了設備運行的安全性。