橋式起重機(jī)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展必不可少的設(shè)備，是大型制造業(yè)制造車間中重要的起重設(shè)備。在橋式起重機(jī)控制中，對(duì)設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠要求很高。

本文主要介紹了海浦蒙特HD30系列變頻器及HDRU系列能量回饋單元在20噸橋式起重機(jī)上的成功應(yīng)用，以及通過(guò)四象限變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的成功解決方案。

1 橋式起重機(jī)系統(tǒng)特點(diǎn)

橋式起重機(jī)是橫架于車間、倉(cāng)庫(kù)和料場(chǎng)上空進(jìn)行物料吊運(yùn)的起重設(shè)備。由于它的兩端坐落在高大的水泥柱或者金屬支架上形狀似橋，區(qū)別與其他起重設(shè)備故稱為橋式起重機(jī)。

橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，可以充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。它是使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重機(jī)械。

橋式起重機(jī)一般由起重小車、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)（大車）、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。

起重小車由起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車架三部分組成。起升機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器、減速器、卷筒和滑輪組。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器，帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物；小車架是支托和安裝起升機(jī)構(gòu)和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)等部件的機(jī)架，通常為焊接結(jié)構(gòu)。

大車在高架軌道上運(yùn)行由橋架兩側(cè)兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)；小車在橋臂上運(yùn)動(dòng)由單獨(dú)一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng)；提升機(jī)構(gòu)安裝在小車上，由單獨(dú)一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)垂直方向運(yùn)動(dòng)。三組電機(jī)可以通過(guò)控制室分別實(shí)現(xiàn)方向的切換和加減速運(yùn)行。

橋式起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動(dòng)，即用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)長(zhǎng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)兩邊的主動(dòng)車輪；另一類為分別驅(qū)動(dòng)，即兩邊的主動(dòng)車輪各用一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)為20噸的橋式起重機(jī)，均采用分別驅(qū)動(dòng)方式，動(dòng)力配置如表1所示。

表1  橋式起重機(jī)動(dòng)力配置關(guān)系

控制室通過(guò)控制手柄把模擬量速度信號(hào)傳送至PLC系統(tǒng)；經(jīng)PLC系統(tǒng)處理后輸出至變頻器；變頻器根據(jù)PLC系統(tǒng)的運(yùn)行命令及頻率參數(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；同時(shí)PLC系統(tǒng)控制電磁制動(dòng)器開(kāi)閉剎，完成動(dòng)力控制。

2 應(yīng)用解決方案

2.1 系統(tǒng)配置

現(xiàn)場(chǎng)共四臺(tái)交流電機(jī)：兩臺(tái)5.5kW大車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、一臺(tái)4kW小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)、一臺(tái)22kW提升電機(jī)。

大車行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)大車在高架軌道上運(yùn)行，其特點(diǎn)是跨度大、行駛距離長(zhǎng)。為保證其長(zhǎng)距離運(yùn)行不傾斜，選用18kW的變頻器（HD30-4T018G，V/f控制方式）驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)5.5kW電機(jī)。排除電機(jī)滑差及驅(qū)動(dòng)輪與軌道的壓力影響外，兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行速度基本一致；

小車行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車在橋臂上運(yùn)行，軌道跨度小，選用5.5kW變頻器（HD30-4T5P5G，V/f控制方式）驅(qū)動(dòng)一臺(tái)4kW交流電機(jī)；

小車提升電機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)中最關(guān)鍵的電機(jī)，要完成20噸工件的提升動(dòng)作。選用37kW變頻器（HD30-4T037G，矢量控制方式）驅(qū)動(dòng)一臺(tái)22kW提升電機(jī)。

電機(jī)及變頻器配套關(guān)系如表2所示。

表2  電機(jī)與變頻器配套關(guān)系

橋式起重機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)由控制室操作面板、PLC控制系統(tǒng)、變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)組成。PLC協(xié)調(diào)處理控制系統(tǒng)的輸入輸出命令，控制室操作面板輸出的運(yùn)動(dòng)方向、速度信號(hào)經(jīng)過(guò)PLC處理后控制相應(yīng)變頻器運(yùn)行。變頻器同時(shí)反饋運(yùn)行信號(hào)至PLC，PLC判斷變頻器運(yùn)行信號(hào)和輸出頻率，控制電磁制動(dòng)器打開(kāi)抱閘。相應(yīng)的電機(jī)輸出動(dòng)力。整個(gè)系統(tǒng)控制如圖1所示。

2.3 控制信號(hào)配線

大車、小車驅(qū)動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)采用V/f控制方式運(yùn)行，PLC控制系統(tǒng)給定運(yùn)行方向命令、模擬量速度給定以及故障復(fù)位命令，變頻器反饋PLC變頻器運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。

配線圖如圖2所示，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表3。

提升變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)為大慣量負(fù)載，其提升轉(zhuǎn)矩要求很高。在抱閘松開(kāi)瞬間負(fù)載最大，此時(shí)電機(jī)仍處在零速狀態(tài)下。HD30采用無(wú)PG矢量控制，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在0.5Hz可達(dá)180%額定轉(zhuǎn)矩，能滿足提升工況需求，保證提升系統(tǒng)無(wú)溜鉤現(xiàn)象。

提升機(jī)在下放工件（負(fù)載）時(shí)，在工件拖動(dòng)下交流電機(jī)變成發(fā)電機(jī)，導(dǎo)致直流母線電壓升高。在常規(guī)變頻系統(tǒng)中會(huì)采用制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻消耗直流母線上超出的電壓，以保證變頻器正常運(yùn)行，而此處選用海浦蒙特HDRU-4T075能量回饋單元。能量回饋單元不僅可以節(jié)省制動(dòng)單元與制動(dòng)電阻的成本，更重要的是可以把直流母線上超出的電量逆變?yōu)楣ゎl交流電回饋到電網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

提升變頻器（含HDRU）配線圖如圖3所示，參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

2.4 參數(shù)設(shè)置

表3  大車、小車驅(qū)動(dòng)變頻器參數(shù)設(shè)置

2.5 調(diào)試步驟

大車驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)試

大車是一臺(tái)變頻器帶兩臺(tái)電機(jī)，調(diào)試時(shí)需先設(shè)置好最高運(yùn)行頻率、加減速時(shí)間以及頻率給定通道，然后單臺(tái)進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)分別確認(rèn)兩臺(tái)電機(jī)的正確接線順序。這樣才能避免兩臺(tái)電機(jī)方向相反而出現(xiàn)故障。

小車驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)試

小車調(diào)試主要對(duì)電機(jī)最高運(yùn)行頻率、加減速時(shí)間以及頻率給定通道進(jìn)行設(shè)置，試機(jī)時(shí)還要注意控制桿指示方向與電機(jī)運(yùn)行方向是否吻合，否則需要對(duì)變頻器運(yùn)行方向進(jìn)行設(shè)置。

提升驅(qū)動(dòng)變頻器調(diào)試

提升驅(qū)動(dòng)變頻器采用的是矢量控制，因此需要先按照電機(jī)銘牌參數(shù)設(shè)置好變頻器中電機(jī)參數(shù)信息。然后需要進(jìn)行空轉(zhuǎn)自整定，這樣能達(dá)到優(yōu)越的矢量控制。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試表明，空轉(zhuǎn)自整定要效果要明顯優(yōu)于靜止自整定效果。

能量回饋單元安裝簡(jiǎn)單，將輸入(+)(-)分別與變頻器直流母線(+)(-)相連，輸出L1、L2、L3端子接工頻電網(wǎng)。設(shè)置回饋電壓為670V，其他參數(shù)為出廠值。在提升負(fù)載下放時(shí)能量回饋單元把直流母線上超出的電壓逆變?yōu)楣ゎl交流電回饋電網(wǎng)，保持變頻器直流母線電壓維持在安全的670V內(nèi)。

2.6 實(shí)際效果

整個(gè)方案接線精簡(jiǎn)，控制簡(jiǎn)易。試機(jī)操作提升15噸鋼件時(shí)，提升力矩充足，尤其在高速運(yùn)行時(shí)性能平穩(wěn)；下放鋼件時(shí)能量回饋單元平均回饋電流在30A左右，節(jié)能效果顯著；同時(shí)，在水平方向的移動(dòng)平滑，運(yùn)動(dòng)中加減速性能優(yōu)異。

整個(gè)調(diào)試過(guò)程無(wú)過(guò)流、過(guò)壓等故障出現(xiàn)，機(jī)器性能得到客戶及行車設(shè)備商的充分認(rèn)可。特別是能量回饋單元的引入，把原本消耗在制動(dòng)電阻上的能量變成交流電反饋電網(wǎng)，降低了起重機(jī)的能量消耗，得到了客戶的極好贊賞。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)橋式起重機(jī)的電機(jī)控制，改善了系統(tǒng)的控制性能、提高了控制精度和安全性。在提升方向上配備“變頻器+能量回饋單元”實(shí)現(xiàn)了行業(yè)中技術(shù)先進(jìn)的四象限變頻技術(shù)，在提升設(shè)備節(jié)能方向上有很好的推廣意義。