长湖发电厂200t＋50t桥式起重机电气系统改造
日期：2008-10-30 0:04:15 来源：中国自动化网
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1 引言
随着科学的不断进步和企业现代化管理模式的转变发展，传统的继电器触点控制技术难于满足起重机械的控制要求，在电子技术飞速发展的今天，起重机械与电子技术的结合也越来越密切。采用PLC取代旧式的继电器逻辑控制，交流变频调速装置取代传统的电机转子串电阻的调速方式是大势所趋。
广东粤电长湖发电有限责任公司地下厂房发电机层，原来一台200t+30t桥式起重机由太原起重机厂设计生产，70年代初建厂时安装使用至今的，由于已使用了几十年，虽然机械设备保养得较好，但电气设备已严重老化，许多元件已无法买到，故障频繁，维修极为困难。为此需要进行改造，主要要求为：采用PLC控制与变频调速控制，将原来的绕线电机更换为鼠笼电机，副钩由原来的30t改为50t。本文详细阐述系统改造过程中的电动机、变频器选型，相关的关键技术问题，并对PLC控制变频器方面的成功经验作了介绍。
2 桥式起重机系统结构
2.1桥式起重机系统结构的主要技术参数
主钩额定载重Q=200t，额定起吊速度U=0.8m/mir，卷筒直径D=10000mm=1.0m，动滑轮组速比m=5。副钩额定载重Q=50t，额定起吊速度U=6/mir，卷筒直径650mm，动滑轮组速比m=4。
2.2桥式起重机电气控制系统结构
桥式起重机电气控制系统结构如图1所示。桥式起重机电气控制系统由PLC、文本显示器、变频器构成，文本显示器为本机的综合监测系统，通过PPI总线及PLC与文本显示器通信，以显示完成运行状态的文本信息及故障信息、报警信息；PLC为全机的控制核心，主要由CPU模块的开关量输入/输出模块与驾驶室的操作手柄以变频器I/O相连，速度反馈由编码器检测信号反馈至变频器。
图1电气控制系统结构图
3电动机与变频器的选型及关键技术
3.1 电动机的选型及功率计算
长湖发电公司的200t桥式起重机主钩原来电机是采用YZR绕线转子异步电动机，这次技术改造，要求采用鼠笼电机。鼠笼异步电机变频调速主要是通过改变供电电源的频率f1来实现调节异步电机的同步转速n1，从而使电动机获得平滑的速度变化。由定子电压平衡方程式U1≈E1=4.44f1N1Kn1Φ1可知，若变频时电源电压保持额定值不变，则当f1下降时，主磁通Φ1增加，电动机磁路将进入饱和区域，从而导致空载电流I0和铁芯损耗的急剧增大，电动机温升过高。为此，变频时，为保持主磁通Φ1不变，必须调节电压，使U1/ f1=常数，以期获得良好的调速性能。根据鼠笼电机变频调速的机械特性，如图2所示，在恒压频比条件下，改变频率时，机械特性基本是平行下移的，频率越低，最大转矩就越小。图2中曲线1为U1N、f1N的固有机械特性；
图2 鼠笼异步电机的变频调速时的机械特性
曲线2为降低频率，即f1/ f1N的人为机械特性；曲线3为频率更低时的人为机械特性。电机的最大转矩Tma变小，原因在于：由于保持U1/ f1=常数，当频率较低时，电源电压也变低，则此时定子电阻r1的压降I1r1大小已不能再忽略，而使E1、Φ1、E2、I2下降更严重，最大转矩就会变小。前面阐述起升机构的负载特点时已表明，桥式起重机起升机构对最大转矩的要求是较高的，它经常工作于低速状态，并且频繁启动、重载启动，因此，采用一般的鼠笼异步电机进行变频调速用于桥式起重机的起升机构并不是很理想。在进行电机选择时，除了考虑一般的电机参数符合要求之外，重点考察电机的 比值。经过慎重选择比较，选择了佳木斯电机厂生产的YZP系列起重及冶金用变频调速三相异步电动机，它的 =2.8，不仅可以满足平滑宽广调速范围的要求，而且可以满足重载频繁启动的要求。
在确定电机类型后，计算电机的功率：
对主钩电机而言：
要求电动机额定转速: n1 = 580 r/min
起吊最大速度:υ1=1.5 m/min=0.025 m/s
额定起吊速度：υ = 0.8 m/min
起吊重量: Q = 210000 kg（含起吊装置）
卷筒直径: D = 1000 mm = 1.0 m
动滑轮组: m = 6
3.2提升机构的变频器选型
(1) 提升机构的转矩分析
·电机的转矩是电机产生的转矩，TMO属主动转矩，其方向可正可负；
·重力转矩TGO是重物及吊钩、吊具等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物+吊钩、吊具的重量G与卷筒半径r的乘积，即：TG=G×r，它的方向永远向下；
·摩擦转矩T0O是由于减速机构的传动比较大产生的，最大λ=50，因此，减速机构的摩擦转矩（包括其它损失转矩）不可小视。它的特点是，其方向永远与运动方向相反。
(2) 提升机构对拖动系统的要求
·速度调节范围
通常 an=3。
考虑发电机组大修时的需要，吊钩垂直速度调节范围要求更宽广些较好，一般要在an≥10。空载或轻载时速度应加快一些，重载时则较慢些；
·具有点动功能
桥式起重机常常需要调整被吊物体在空中的位置，因此，点动功能是必须的；
·要有较强的过载能力桥式起重机起升机构常要在重载情况下启动，并且要重物停在半空中再启动，所以，对变频器的过载能力要求较高。此外，还要考虑对位能的处理。重物上升时，是电动机克服各种阻力，包括重物的重力、摩擦阻力等而做功，属阻力负载；重物下降时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，当重物的重力大于传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力（位能）将成为下降的动力，电动机变成能量的接受者，故属于动力负载。但当重物的重量小于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须电动机拖动下降，仍属于阻力负载。
综上所述，可见桥式起重机提升机构用变频调速控制，要求不但要有宽广的调速范围和较高过载能力，对转矩的要求也较高。一般的PWM、SPWM通用变频器是使U1/ f1=常数，保持主磁通Φ1不变来调速，f1下降到较低时，会导致电机机械转矩特性变“软”，如图3所示，并且会造成电机严重发热，故桥式起重机的提升机构用变频调器不能用一般的PWM、SPWM通用变频器，为了保证在低速时能有足够大的转矩，采用矢量控制方式的变频器较合适。
图3 鼠笼异步电机机调压调速时机械转矩特性
(3) 起升机构变频器的选型
在桥式起重机提升机构中，因为升、降速时的电流较大，尤其是低速时，选择变频器功率时应考虑电动机在低速时的最大电流，即S3工作方式时FC=25%的定子电流，具体数据可以查电动机的样本，通常以变频器的额定电流IN＞ IM的原则来选取。
根据文献[1>，YZP315M-75kW电动机的额定电流：当FC=100%时为125.67A；FC=25%时为175.84A，按电动机FC=25%时的工作电流选择变频器的额定电流，根据文献[2>，型号为“6SE7031-8EF60”的矢量控制三相交流传动系统电压源型变频的额定电流为186A，能满足电动机FC=25%启动电流的需要。
4 结束语
本文详细介绍了对广东粤电长湖发电有限责任公司一台200t＋50t桥式起重机的电气控制系统进行的改造，改造后系统的实际运行表明，系统稳定性高，操作简单，控制精度明显提高，成功地完成了该电厂的发电机组大修时的转子吊出和装入工程任务。
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广东粤电长湖发电有限责任公司地下厂房发电机层，原来一台200t+30t桥式起重机由太原起重机厂设计生产，70年代初建厂时安装使用至今的，由于已使用了几十年，虽然机械设备保养得较好，但电气设备已严重老化，许多元件已无法买到，故障频繁，维修极为困难。为此需要进行改造，主要要求为：采用PLC控制与变频调速控制，将原来的绕线电机更换为鼠笼电机，副钩由原来的30t改为50t。本文详细阐述系统改造过程中的电动机、变频器选型，相关的关键技术问题，并对PLC控制变频器方面的成功经验作了介绍。
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2 桥式起重机系统结构
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2.1桥式起重机系统结构的主要技术参数
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主钩额定载重Q=200t，额定起吊速度U=0.8m/mir，卷筒直径D=10000mm=1.0m，动滑轮组速比m=5。副钩额定载重Q=50t，额定起吊速度U=6/mir，卷筒直径650mm，动滑轮组速比m=4。
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桥式起重机电气控制系统结构如图1所示。桥式起重机电气控制系统由PLC、文本显示器、变频器构成，文本显示器为本机的综合监测系统，通过PPI总线及PLC与文本显示器通信，以显示完成运行状态的文本信息及故障信息、报警信息；PLC为全机的控制核心，主要由CPU模块的开关量输入/输出模块与驾驶室的操作手柄以变频器I/O相连，速度反馈由编码器检测信号反馈至变频器。
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3电动机与变频器的选型及关键技术
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3.1 电动机的选型及功率计算
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长湖发电公司的200t桥式起重机主钩原来电机是采用YZR绕线转子异步电动机，这次技术改造，要求采用鼠笼电机。鼠笼异步电机变频调速主要是通过改变供电电源的频率f1来实现调节异步电机的同步转速n1，从而使电动机获得平滑的速度变化。由定子电压平衡方程式U1≈E1=4.44f1N1Kn1Φ1可知，若变频时电源电压保持额定值不变，则当f1下降时，主磁通Φ1增加，电动机磁路将进入饱和区域，从而导致空载电流I0和铁芯损耗的急剧增大，电动机温升过高。为此，变频时，为保持主磁通Φ1不变，必须调节电压，使U1/ f1=常数，以期获得良好的调速性能。根据鼠笼电机变频调速的机械特性，如图2所示，在恒压频比条件下，改变频率时，机械特性基本是平行下移的，频率越低，最大转矩就越小。图2中曲线1为U1N、f1N的固有机械特性；
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图2 鼠笼异步电机的变频调速时的机械特性
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曲线2为降低频率，即f1/ f1N的人为机械特性；曲线3为频率更低时的人为机械特性。电机的最大转矩Tma变小，原因在于：由于保持U1/ f1=常数，当频率较低时，电源电压也变低，则此时定子电阻r1的压降I1r1大小已不能再忽略，而使E1、Φ1、E2、I2下降更严重，最大转矩就会变小。前面阐述起升机构的负载特点时已表明，桥式起重机起升机构对最大转矩的要求是较高的，它经常工作于低速状态，并且频繁启动、重载启动，因此，采用一般的鼠笼异步电机进行变频调速用于桥式起重机的起升机构并不是很理想。在进行电机选择时，除了考虑一般的电机参数符合要求之外，重点考察电机的 比值。经过慎重选择比较，选择了佳木斯电机厂生产的YZP系列起重及冶金用变频调速三相异步电动机，它的 =2.8，不仅可以满足平滑宽广调速范围的要求，而且可以满足重载频繁启动的要求。
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在确定电机类型后，计算电机的功率：
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对主钩电机而言：
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要求电动机额定转速: n1 = 580 r/min
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·电机的转矩是电机产生的转矩，TMO属主动转矩，其方向可正可负；
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·重力转矩TGO是重物及吊钩、吊具等作用于卷筒的转矩，其大小等于重物+吊钩、吊具的重量G与卷筒半径r的乘积，即：TG=G×r，它的方向永远向下；
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·摩擦转矩T0O是由于减速机构的传动比较大产生的，最大λ=50，因此，减速机构的摩擦转矩（包括其它损失转矩）不可小视。它的特点是，其方向永远与运动方向相反。
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根据文献[1>，YZP315M-75kW电动机的额定电流：当FC=100%时为125.67A；FC=25%时为175.84A，按电动机FC=25%时的工作电流选择变频器的额定电流，根据文献[2>，型号为“6SE7031-8EF60”的矢量控制三相交流传动系统电压源型变频的额定电流为186A，能满足电动机FC=25%启动电流的需要。
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4 结束语
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