摘 要：本文介紹了橋式起重機(jī)的工作原理和應(yīng)用環(huán)境，詳細(xì)闡述了臺達(dá)VFD-VE系列變頻器的天車功能模式。為VFD-VE在天車行業(yè)中的應(yīng)用提供指導(dǎo)依據(jù)。
關(guān) 鍵 字：橋式起重機(jī) VFD-VE 天車功能
1 引言
橋式起重機(jī)是橋架在高架軌道上運(yùn)行的起重機(jī)，又稱天車。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，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成矩形的工作范圍，就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。
橋式起重機(jī)廣泛地應(yīng)用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機(jī)可分為普通橋式起重機(jī)、簡易粱橋式起重機(jī)和冶金專用橋式起重機(jī)三種。本文主要利用臺達(dá)VE系列和B系列變頻器通過分別驅(qū)動的方式使橋式起重機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。
2 橋式起重機(jī)
2.1 工藝結(jié)構(gòu)
普通橋式起重機(jī)一般由起重小車、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。起重小車又由起升機(jī)構(gòu)、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)和小車架三部分組成。
提升機(jī)構(gòu)包括電動機(jī)、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機(jī)通過減速器，帶動卷筒轉(zhuǎn)動，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)。
起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式可分為兩大類：一類為集中驅(qū)動，即用一臺電動機(jī)帶動長傳動軸驅(qū)動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅(qū)動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機(jī)驅(qū)動。中、小型橋式起重機(jī)較多采用制動器、減速器和電動機(jī)組合成一體的“三合一”驅(qū)動方式，大起重量的普通橋式起重機(jī)為便于安裝和調(diào)整，驅(qū)動裝置常采用萬向聯(lián)軸器。
普通橋式起重機(jī)主要采用電力驅(qū)動，一般是在司機(jī)室內(nèi)操縱，也有遠(yuǎn)距離控制的。起重量可達(dá)五百噸，跨度可達(dá)60米。
2.2 驅(qū)動需求
橋式起重機(jī)作為搬運(yùn)大且重的物品的通用裝備，對驅(qū)動機(jī)構(gòu)有特殊要求：
（1）起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。
（2）由于機(jī)械制動器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動器的制動轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須變頻器啟動信號與機(jī)械制動器動作信號的控制時(shí)序。
（3）當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。
（4）起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。
3 變頻驅(qū)動控制
3.1抱閘驅(qū)動控制
針對橋式起重機(jī)的特殊要求，臺達(dá)VFD-VE系列變頻器設(shè)計(jì)了客制化的專用驅(qū)動功能。通過變頻器的多功能端子實(shí)時(shí)檢測輸出電流和輸出頻率兩個(gè)變量，控制起重機(jī)包閘系統(tǒng)動作，如圖1所示。在啟動時(shí)當(dāng)輸出電流和輸出頻率同時(shí)大于設(shè)定值時(shí)，打開包閘；在天車停止時(shí)，如果輸出頻率和輸出電流任一小于設(shè)定值時(shí)，則包閘關(guān)閉。這種方式可以充分保證了變頻器能夠提供足夠轉(zhuǎn)矩的同時(shí)保證了系統(tǒng)的安全。
圖1 臺達(dá)變頻器抱閘驅(qū)動控制
3.2 起升驅(qū)動控制
變頻器的容量必須大于負(fù)載所需求的輸出，即：
式中 ——過載系數(shù)1.33
——負(fù)載要求的電動機(jī)軸輸出功率，kW
——電動機(jī)效率
——電動機(jī)的功率因數(shù)
起升機(jī)構(gòu)要求的起動轉(zhuǎn)矩為1.3—1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉(zhuǎn)矩需有1.6—2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機(jī)的變頻器來說，可提供長達(dá)60秒、150%額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。
在變頻器容量選定后，還應(yīng)做電流驗(yàn)證，即：
式中 ——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）
——變頻器額定輸出電流，A
——工頻電源時(shí)的電動機(jī)額定電流，A
一般的大噸位起重機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動的起升機(jī)構(gòu)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)由2臺電動機(jī)同步驅(qū)動各自的鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機(jī)的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時(shí)的動態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，每臺電動機(jī)采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個(gè)起升機(jī)構(gòu)的2臺變頻器之間采用中科變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實(shí)現(xiàn)2臺電動機(jī)精確的轉(zhuǎn)矩平衡分配和2個(gè)起升機(jī)構(gòu)的速度同步。
3.3 平移驅(qū)動控制
起重機(jī)的平移機(jī)構(gòu)分大車機(jī)構(gòu)和小車機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)一般采用多臺電動機(jī)傳動方案。由于起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了加速電動機(jī)需有較大的起動轉(zhuǎn)矩，因此起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)所需的電動機(jī)軸輸出功率 應(yīng)由負(fù)載功率 和加速功率 組成，即：
由于平移機(jī)構(gòu)采用一臺變頻器拖動多臺電動機(jī)的通用V/F開環(huán)頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時(shí)，還要滿足以下公式：
式中 ——電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05—1.1）
——變頻器額定輸出電流，A
——工頻電源時(shí)單臺電動機(jī)的額定電流，A
——一臺變頻器拖動的電動機(jī)數(shù)量
由于在變頻器“一拖多”通用V/F開環(huán)頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護(hù)功能無法實(shí)現(xiàn)對單臺電動機(jī)的過載保護(hù)，為此在每臺電動機(jī)回路中串入帶有熱過載保功能的低壓斷路器，以實(shí)現(xiàn)對單臺電動機(jī)的過載保護(hù)，電動機(jī)故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點(diǎn)。
3.4 臺達(dá)變頻器選型
臺達(dá)VE系列變頻器結(jié)合本系統(tǒng)控制功能的要求，價(jià)低質(zhì)優(yōu)、抗燥耐用，易實(shí)現(xiàn)模擬量控制等特點(diǎn)，也適合炭素惡劣環(huán)境使用。其改造費(fèi)用低。其天車改造配用的變頻器參數(shù)如下：
(1) 大車變頻器選用VFD150V43A-2 15kw 20hp 32a 380v 50hz 1臺。
(2)小車變頻器選用 VFD055V43A-2 5.5kw 7.5hp 16a 380v 50hz 1臺。
(3)提升變頻器選用 VFD075V43A-2 7.5kw 10hp 22a 380v 50hz 1臺。
4 電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
4.1 電控系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)
變頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要是由臺達(dá)VE系列變頻器，ES系列PLC，雙手柄聯(lián)動控制臺組成，PLC采集手柄控制器信號，經(jīng)過程序進(jìn)行邏輯判斷，依據(jù)判斷結(jié)果調(diào)節(jié)變頻器的輸出，來控制驅(qū)動電機(jī)的方向、轉(zhuǎn)速和力矩，取代原來的傳統(tǒng)繞線型轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)。變頻器抱閘驅(qū)動控制如圖所示。
圖2 電控系統(tǒng)原理
4.2 電控系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試
在該系統(tǒng)中VFD-VE變頻器的參數(shù)主要如下：
（1）提升變頻器：
提升機(jī)變頻器參數(shù)：
F=20Hz 00-10=0（運(yùn)行于VF模式）
01-12=2 （加速時(shí)間2s）
01-13=2 （減速時(shí)間2s）
02-13=42 (天車動作)
02-31=3Hz，02-32=20% (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時(shí)，天車動作打開包閘)
02-33=4Hz, 02-34=30% (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時(shí)，天車動作關(guān)閉包閘)。
（2）小車機(jī)變頻器參數(shù)：
F=10Hz 00-10=0（運(yùn)行于VF模式）
01-12=5 （加速時(shí)間5s）
01-13=5 （減速時(shí)間5s）
02-13=42 (天車動作)
02-31=3Hz，02-32=20% (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時(shí)，天車動作打開包閘)
02-33=4Hz, 02-34=30% (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時(shí)，天車動作關(guān)閉包閘)
（3）大車機(jī)變頻器參數(shù)：
F=10Hz 00-10=0（運(yùn)行于VF模式）
01-12=5 （加速時(shí)間5s）
01-13=5 （減速時(shí)間5s）
02-13=42 (天車動作)
02-31=3Hz，02-32=20% (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時(shí)，天車動作打開包閘)
02-33=4Hz, 02-34=30% (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時(shí)，天車動作關(guān)閉包閘)
5 結(jié)束語
基于臺達(dá)VE變頻器的橋式起重機(jī)，不論運(yùn)行還是停止等過程，均沒有出現(xiàn)溜鉤、速度不穩(wěn)等現(xiàn)象。臺達(dá)VE變頻器降低了原有系統(tǒng)的故障率，提高了現(xiàn)場控制的靈活性。在提升系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量的同時(shí)還節(jié)約了客戶運(yùn)營成本。
