变频控制技术在门座式起重机上的应用
变频控制技术在门座式起重机上的应用
作者：林威
来源：《海峡科学》2007年第04期
【摘要】本文以本单位40吨多用途门座起重机的技术改造为例，阐述了变频技术在起重机电气系统的应用
【关键词】变频器起升控制系统电机
港口装卸所用的门座式起重机，其工作机构主要由起升机构、变幅机构、回转机构、行走机构组成。起升机构是门座起重机中最重要的工作机构。他的运动特征是起制动和正反转频繁，重复短时工作。起升机构负责装卸作业货物的垂直提高，它属于位能负载范畴。上升时传动电动机作电动状态运行；非轻载下降时电动机处于制动或回馈制动状态。门座起重机一般采用交流传动系统。主要的传动方案有转子串电阻调速、能耗制动调速、涡流制动器调速等。由于起升机构时门机是最重要的工作机构，因而其对传动方案的选择是有一定的要求的。常见的传动方案是控制柜控制的绕线式异步电动机传动，下降时有一档低速，机械制动（块式制动器）与电器制动（如能耗制动、涡流制动、反接制动、单向制动等）配合制动。
随着电力电子技术的发展，变频调速技术的越来越普及，在电控系统变频器的应用收到很好的效果。变频器的无级调速，软启动，恒转矩输出极大地满足了门机作业转矩输出的要求。
以我们公司一台2000年生产的40T多用途门机起升机构改造为例。此门机起升机构由两台YZR355L2-10，132KW电机，转子绕组串电阻起动运行，通过切除转子绕组所串电阻进行调速，主要电气控制元件使用PLC和交流接触器；该设备在生产过程中发现连续作业30分钟后，做重载下降操作时起升机构无法有效制动，溜钩现象严重。由于它的起升制动器采用YWZB600/180的电动液压推杆进行制动，在制动时制动摩擦副产生大量热能，连续作业后制动毂温升很高，导致制动片的摩擦系数降低，无法有效地进行制动。转子串电阻方式调速范围窄，单纯靠液压推杆进行制动很难达到大重量货物平稳升降的要求。而该机重载使用频繁、线路复杂、接头触点多、耗电量大、起动电流大等原因造成电气元件故障率高。根本无法满足生产要求。
改造方案：采用变频器对门机起升机构进行电气控制系统改造。改造后的控制硬件配置主要由操纵手柄、PLC、变频器、电动机及其它电气单元组成。如下（图1）所示：
一变频器选用
因原有的绕线式电机的功率为132KW,根据功率匹配性，所以选择日本安川公司G7A4185变频器，该变频器即使在0 HZ电动机也能以150％额定转矩输出。该变频器具有四种控制模
式，我们选用闭环矢量控制方式，闭环控制的速度反馈采用增量式脉冲编码器，系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性，从而使起升机构在工作过程中具有良好的动态性能。
制动器的松闸和抱闸都由变频器输出的信号来控制，对于变频器，如果输出频率降低，电机转速将跟随频率同样降低，这时会产生制动过程，在用于提升类负载,在下降或减速停车时,由制动产生的功率将返回到变频器侧，这些功率可以用电阻发热消耗。在电机的转速降到接近于零速时，制动器抱闸，大大地降低了制动片与制动毂之间的摩擦，解决了原系统因长时间摩擦带来的高温问题，可确保机械的技术性能。
二系统的启动和调速
变频起动中，是通过控制异步电动机的定子电压和定子频率来获得所需的起动性能。根据工程的需要，一般尽量减小起动电流，这样可以减小变频器的容量。对起动时间的设定并不追求越短越好，如果保证主磁通为额定值通过恰当地设定起动时间，相当于间接地选择了起动过程中的动态转矩，可以减小起动电流和起动损耗。所以起动时常有几种情况：或起动电流最小、或起动损耗最小、或起动时间最短。对于有转矩控制功能的变频器和矢量控制式变频器，由于具有快速的电流限制功能，即使转速指令设定成阶跃指令，变频器本身也能把电流限制在允许值以内，就是说起动中电流可以被限制在人为设定的范围以内，港口起重门机在启动过程中往往都带有位能性负载（重物），这样就需要用变频器的允许最大转矩，实现尽可能快的起动过程。
交流电动机矢量控制基本思想是设法模拟直流电动机的控制特点来进行交流电动机的控制，使之能够象直流电机调速系统一样具有良好的动、静态性能。直流电机调速性能好的根本原因是由于其磁通和转矩能很容易通过调节励磁电流和电枢电流分别得到控制。
三系统组成
S1、S2端子为变频器定义好的正、反转端子，当S1或S2的一个端子与公共端子SC接通时，电动机作正转或反转运行，断开时电动机停止运行。S3端子为故障复位，变频器H1-
01=14，S4为外部故障，所以变频器参数中H1-02=24；S5、S6分别定义为多速1，多速2，变频器中参数相应为H1-03=3、H1-04=4,其中S5、S6都与公共端子SC断开时变频器输出1段速；S5端子与SC接通，S6不接通时，变频器输出2段速；S5不与SC接通，S6接通时，变频器输出3段速；S5、S6同时都与公共点SC接通时，变频器输出4段速。同时在变频器参数d1-01,d1-02, d1-03, d1-04中分别设定4种速度的频率。M1和M2为零速输出，用于控制制动器的动作，有频率输出时，M1与M2接通。MA与MC为故障输出点，当有故障时，MA、MC由常开变为常闭，信号反馈给PLC使起升机构停止工作。
当手柄打上升或下降档时，轴流风机运行强制散热，制动器松闸，同时变频器输出1段速度，使电机平稳起动运行；当手柄处于第二或第三档时，变频器的多速端子S5、S6以不同的组合输入信号，变频器输出不同的速度，电机以不同的速度运行；当手柄回零，变频器根据设