橋式抓斗起重機(jī)變頻改造系統(tǒng)方案
“橋抓”在運(yùn)行過程中負(fù)載的變化十分復(fù)雜，在拖動(dòng)過程中對(duì)轉(zhuǎn)矩要求高，特別要求變頻拖動(dòng)與調(diào)速系統(tǒng)在低速包括零速時(shí)應(yīng)能輸出較大轉(zhuǎn)矩（>150%額定力矩），動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能承受四象限力矩的變化，“橋抓”在運(yùn)行過程中，電機(jī)處于頻繁的正反轉(zhuǎn)切換運(yùn)行，起動(dòng)時(shí)沖擊力大；“橋抓”的抓斗是提升負(fù)載，當(dāng)抓斗由下至上運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)抓斗由上至下運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)。
傳統(tǒng)的“橋抓”電氣傳動(dòng)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法起動(dòng)和調(diào)速，抓斗的卷揚(yáng)、開閉電動(dòng)機(jī)在使用過程中反復(fù)承受無數(shù)次的倒順轉(zhuǎn)操作，經(jīng)常受強(qiáng)電流、大力矩沖擊，對(duì)電機(jī)和機(jī)械部件損傷較為嚴(yán)重，交流接觸器、電阻箱、滑環(huán)碳刷使用壽命短，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。要從根本上解決“橋抓”故障率高的問題，只有徹底改變繞型電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式，應(yīng)用變頻器其優(yōu)越的軟啟及調(diào)速性能與完善的保護(hù)功能，為“橋抓”的傳動(dòng)系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供有利的條件。
2 改造方案
由于抓斗兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是可逆的，所以采用的變頻器也應(yīng)是可逆的，而用于“橋抓”的變頻器能實(shí)現(xiàn)是象限運(yùn)行，它能將電網(wǎng)的電力輸送給電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)“抓斗”上升，而當(dāng)“抓斗”下降時(shí)，通過自動(dòng)放電單元，將電動(dòng)機(jī)的再生能量消耗在放電電阻上，并起到“能耗制動(dòng)”的作用。
2.1 動(dòng)力回路
進(jìn)線交流接至“橋抓”操作臺(tái)空氣開關(guān)柜內(nèi)，大車、小車電機(jī)保持原有接線方式。加裝HRS-200刀熔開關(guān)作為主吊，開閉調(diào)速電動(dòng)機(jī)變頻器的斷開點(diǎn)。刀熔開關(guān)的上端接至拖纜端子盒，下端接變頻器的輸入，變頻器輸出接電動(dòng)機(jī)。變頻器的過壓過流、短路等保護(hù)功能作為電動(dòng)機(jī)保護(hù)，刀熔開關(guān)及電源總空氣開關(guān)作為變頻器的后備保護(hù)。
2.2 控制回路
“橋抓”操作臺(tái)的運(yùn)行指令，外部動(dòng)作要求信號(hào)通過控制單元與變頻器連接，變頻器對(duì)外的動(dòng)作要求信號(hào)通過控制單元與外部執(zhí)行單元連接。控制轉(zhuǎn)速點(diǎn)數(shù)由主令控制檔數(shù)設(shè)定。繼電器及相應(yīng)其他元件，都選擇采用優(yōu)質(zhì)品牌的歐姆龍或富士產(chǎn)品。
3 主要技術(shù)參數(shù)
在橋抓上應(yīng)用變頻器，因?yàn)槠涮囟ǖ墓r要求及特殊的負(fù)載特性，也就決定了如何使用變頻調(diào)速裝置的型號(hào)、功率、保護(hù)等技術(shù)參數(shù)的合理配置，必然要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備具體情況慎重考慮選擇。
以下簡述一下我單位在改造舊“橋抓”采用變頻調(diào)速時(shí)，進(jìn)行分析選擇的幾個(gè)主要技術(shù)參數(shù)。
3.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)
傳統(tǒng)的交流起重機(jī)用繞線式異步電機(jī)，其輸出外特性與轉(zhuǎn)子電阻有關(guān)。而改用變頻調(diào)速，通過保持電壓/頻率（V/F）基本恒定條件下，改變頻率來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，因此可用結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)來取代。但必須滿足功率、轉(zhuǎn)矩、散熱等要求。
3.2 變頻調(diào)速器
考慮到“橋抓”工況可變性大的因數(shù)，所以選用比電機(jī)功率升一級(jí)的變頻器。例如：用37KW的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，應(yīng)選用45KW的變頻器。投入資金雖然要增加一點(diǎn)，但變頻器功率模塊承受頻繁起動(dòng)電流沖擊的能力及設(shè)備的可靠性卻大為增加。
3.3 拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩
日立J300系列變頻器具有無速度傳感器矢量控制技術(shù)，當(dāng)變頻器有0.5Hz輸出時(shí)即有150%以上的高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，保證懸空起動(dòng)及低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)力矩，并可在10：1的速度范圍內(nèi)（6-60Hz/5-50Hz）以100%轉(zhuǎn)矩連續(xù)運(yùn)行。速度調(diào)速偏差小于±1%。并利用一個(gè)高速微處理器和裝備DSP來提高響應(yīng)速度，在提升設(shè)備中對(duì)防止“滑落”很有效果，轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間約0.1秒便可達(dá)到100%的轉(zhuǎn)矩。
3.4 能耗制動(dòng)單元
“橋抓”在操作抓斗下落時(shí)，變頻器將受到較高電勢(shì)的能量釋放過程，為保證變頻器不過壓跳閘不被擊壞，增設(shè)能耗制動(dòng)單元來保證變頻器的正常工作。進(jìn)行制動(dòng)時(shí)放電電阻與電機(jī)內(nèi)部的有功損耗部分結(jié)合成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大約為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的20%。制動(dòng)電阻的計(jì)算如下；
RBO=UC2/0.1047(TB-0.2Tm)n1 (1)
式中：UC——直流回路電壓；
TB——制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；
Tm——電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩；
n1——開始減速時(shí)的速度；
由制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻構(gòu)成的放電回路中，其最大電流受制動(dòng)單元的最大允許電流IC的限制。制動(dòng)電阻的最小允許值Rmin為：
Rmin= UC/IC （2）
因此，制動(dòng)電阻應(yīng)滿足以下選擇范圍Rmin < RB < RBO （3）
制動(dòng)電阻所需功率PBO（KW）計(jì)算如下：
PBO=0.1047(TB-0.2Tm)（n1 + n2）*10-3/2 （4）
3.5 功能參數(shù)
變頻器調(diào)式投用時(shí)，功能參數(shù)的設(shè)置，直接關(guān)系到變頻器與設(shè)備運(yùn)行工況是否配合恰當(dāng)?shù)闹匾h(huán)節(jié)。比如F2輸出額定頻率的設(shè)定，F(xiàn)6加速時(shí)間的設(shè)定，F(xiàn)7減速時(shí)間的設(shè)定，A0轉(zhuǎn)矩控制方式的設(shè)定等等。特別是電機(jī)參數(shù)的測(cè)定，均需通過“橋抓”使用過程中結(jié)合設(shè)備運(yùn)行情況不斷摸索修正。否則，由于某參數(shù)設(shè)置不合理，也可能使變頻器工作不正常或造成電機(jī)過熱等未能預(yù)想的異常情況發(fā)生而損壞電氣設(shè)備。
3.6 運(yùn)行環(huán)境
由于變頻器應(yīng)用與橋抓上，工作環(huán)境差。如粉塵多，振動(dòng)大，雨天空氣潮濕等。因此，運(yùn)行中應(yīng)注意變頻器的緊固與防潮以確保變頻器的安全運(yùn)行。
4 應(yīng)用效果
經(jīng)過多放面調(diào)研和技術(shù)咨詢最終采用安川G7變頻器，對(duì)橋抓主吊開、閉兩臺(tái)37KW電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，經(jīng)一年多的運(yùn)行基本達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，取得了良好的使用效果，并歸納總結(jié)如下：
4.1 由于省去了切換轉(zhuǎn)子電阻CJ12-100A交流接觸器、滑環(huán)碳刷架、碳刷、串聯(lián)電阻等電氣元件因而大大減化了電氣控制線路。不僅節(jié)約了電氣檢修費(fèi)用并且提高了設(shè)備安全穩(wěn)定可靠性。
4.2 變頻調(diào)速電機(jī)的軟起動(dòng)，避免了機(jī)械受大力矩沖擊的損傷和破壞，減少了機(jī)械維護(hù)及檢修費(fèi)用，尤其明顯減少了更換鋼絲繩的工作量及檢修費(fèi)用。
4.3 最主要的受益體現(xiàn)在設(shè)備健康水平提高，根本性地解決了沒有頻繁故障的老大難問題，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。
4.4 與原橋抓的調(diào)速方式相比，由于減少了交流接觸器、碳刷、串聯(lián)電阻等電氣元件的能量損耗，一定程度地收益到節(jié)電的效果，經(jīng)測(cè)算全年節(jié)約各項(xiàng)費(fèi)用3萬多元，預(yù)計(jì)投資回收期約三年。
（由于“橋抓”的穩(wěn)定可靠，運(yùn)行、帶來的社會(huì)效益和間接效益是無法估計(jì)的）
4.5 主令控制器的控制電流大大減小，從而提高了操作的可靠性