贾艳波　张建树

【摘 要】目前起重机控制的现状据有关报道，国外发达国家的起重机，很多都采用变频调速系统控制。即使在发展中国家的比例也比较高。我国虽然近几年对传统的起重机控制系统进行了一些变频调速系统改造，并且很多起重机生产厂家开始采用变频调速系统，但绝大部分用户仍然使用传统的“绕线式电动机转子串电阻调速系统”方式（传统调速）。通用的桥式起重机是机械制造工业中最广泛使用的起重机械，又称“天车”或“行车”，它是一种横架在固定跨间上空用来吊运各种物件的设备。天车的交流异步电机启动时冲击电流大，设备冲击严重，噪声大，影响设备的使用寿命及定位精度。同时天车的其他费用也很高，不节能不环保采用变频改造后可以解决以上的问题。

【关键词】起重机；变频调速系统改造；传统调速；天车；冲击电流大；变频改造

1 天车改造前存在问题

在曹妃甸装备制造厂有10台20/5的天车，2台32/5天车，2台16+16天车。天车的交流异步电机启动时冲击电流大，设备冲击严重，噪声大，影响设备的使用寿命及定位精度。同时天车的其他费用也很高，也不节能环保。所以先对1台20/5的天车进行电气系统变频改造看看能否达到业主要求。20/5吨天车电气控制系统的变频改造，目的在于降低天车的使用成本和提高控制性能。以此车为例，每年的设备更新费用可降低50%，检修维护费用可降低80%，总计可以节约5500元左右的设备开支。在日常运行中可节约30%左右的电量，一年累计可以节省4000元的电费。日积月累，从长远来说，节省的开支相当可观。在控制性能方面，与传统的切电阻系统相比，对电源的缺相、欠压、过压、过流等能够做到及时准确的检测，并且能够自动采取应变措施保护电机；还能快速响应急变负载和及时检知瞬时功率，实现最短时间内平稳地加减速，让电机具有很快的动态响应，并且实现无级调速，提高了控制精度。

天车传统控制系统的构成、存在的问题及产生的原因：

1.1 天车主令控制系统的构成

原设计起重机电气元件构造由大车、小车、主起升、副起升、照明及警报系统构成。具体元件有主回路进线开关（隔离开关、空气开关），主进线控制接触器，照明变压器，脚踏开关、电铃，控制开关，主回路及分子回路的过热元件，主令控制箱，电机、抱闸及转子切换电阻器。原切换方式为主令切除转子电阻，从而控制电机转速。保护系统是通过限位控制主进线接触器达到保护目的。

1.2 传统控制系统容易出现的问题

（1）起动电流过大，对电网冲击大；

（2）机械设备使用寿命过短，电机连轴器、钢绳等机械易磨损；

（3）接触器、继电器等电器元件的触头、线圈经常烧坏；

（4）电动机故障率高。而维修起重机属于高空作业，极不方便，而且起重机故障很大程度上影响了生产进度。

1.3 产生故障的原因

（1）拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，而且电动机一直在额定转矩下工作，电能浪费严重。

（2）天车升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。

（3）天车每天需进行大量的搬运工作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件——交流接触器并通过继电器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头和线圈。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。

（4）在天车起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。

（5）为适应天车的工况，操作人员经常性的反复操作，导致起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。

2 天车电气系统变频改造后的构造及优势

2.1 天车电气系统变频改造后的构造

原设计控制方式有原来的主令切电阻调速，改成变频调速。原电机的转子星点短封，同时在主钩、副钩、大车、小车主回路系统增加4台变频器，各变频器进线端加增足够容量的空气开关。原主令控制器线路一组正反切换接点、主令电阻切除接点更改到变频控制单元模块。其中正反转主令取正反两接点接入变频的正反控制，在变频设置中设定输入端子为正反控制输出。从主令控制器中可看出原设计有4段速，把主令接点引入到变频频段控制端子，考虑到使用需要，在变频器中设定3段速度就可以，分别为10、25、45HZ。这在低速的稳定和高速的行驶中能确保安全，同时也使电机运行曲线更平滑，机械设备更稳定。由于变频器有热保护功能，为了节省空间，原设计主钩、副钩、小车过热取消，大车变频器由于是带两台电机，变频的热保护功能不能实现分别保护两台电机的功能，所有大车热保护继续投入运行系统对于抱闸系统的控制，增加4个抱闸控制接触器。起升回路通过变频器的多功能接点输出，控制抱闸启停。对于行走回路可以使用主令控制器的另组接点控制抱闸的吸合，也可以通过变频器的多功能接点输出控制。由于变频器不可以频繁启停动作，建议将原设计的限位串联到给变频的正反控制回路中。当然在限位不经常动作的使用环境，考虑到要尽少的变更原设计的问题，可以在保证不频繁动作限位的情况下不更改限位回路，也就是通过限位控制主回路进线接触器从而实现限位保护。所示图1主电源控制系统。

针对转子切电阻电气系统中的不足，首先应该改进的是交流电动机的调速方式，改进过程当中首选变频调速方式。因为变频调速控制系统具有以下几个优点：

（1）变频器调速控制系统的保护功能强

使用变频器控制电机的运行，可以进行电机的软启动，而让电机具有很快的动态响应并且实现无级调速；对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时准确的检测而自动采取应变措施保护电机；

（2）工作可靠性显著提高

原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；

控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统大大简化，可靠性大为提高；停电减速功能 可以在意外停电时使起重机减速停止，消除了突然停车所带来的隐患。

（3）节能效果十分可观

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，而且在电机频繁的启动中。这样，每小时节省的电费相当可观。

（4）调速质量明显提高

采用了变频调速系统后，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

3 改造后的工作报告

在曹妃甸装备制造厂正式投入使用，得到了业主的高度赞许。如图5所示。

3.1 在节能方面

系统所用变频器，具有自动节能操作模式，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达30%以上，一年累计可以节省4000元的电费。每年的设备更新费用可降低50%，检修维护费用可降低80%，总计可以节约5500元左右的设备开支。日积月累，从长远来说，节省的开支相当可观。

3.2 在控制性能方面

与传统的切电阻系统相比，天车采用变频控制后使整机性能有较大的提高.如起升行走平滑，稳定，被吊物件定位准确.根据需要上下，前后，左右，操作都可以无级变速，适应各种实用场合，加上变频器自身保护功能齐全，如过流，过载，过压等都能及时报警及停止，减少了天车故障，提高了安全性能。同时变频器具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。有如下优点：

图5 变频改造完成后的控制柜

（1）速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业；

（2）软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；

（3）高集成度组件及高可靠性低压电器，有效解决原电气系统接线复杂问题，不仅降低了系统故障机率，而且易维护；

（4）电动机在低速时，能200%力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；

（5）具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；

（6）采用变频调速系统后，可完全杜绝操作人员违章操作。

通过此次20/5吨变频天车改造，进一步锻炼了自身的设计与施工能力，加强了技术与人员储备，为下一步在天车变频改造领域开拓市场奠定了良好基础。本次技术改造是将大车、小车、主钩和副钩系统全部改成变频，当然也可以根据需要，单独对大车、小车、主钩和副钩系统中任意部分进行改造。相对来说，变频控制对我们来说是一种投资较大、回报较慢的新兴技术，但是从长远来说，日积月累，节省的开支相当可观：在相同的使用条件下，可以节省30%左右的电量。而且，可以节省大量的人工维护费用。

[责任编辑：丁艳]

（2）工作可靠性显著提高

原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；

控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统大大简化，可靠性大为提高；停电减速功能 可以在意外停电时使起重机减速停止，消除了突然停车所带来的隐患。

（3）节能效果十分可观

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，而且在电机频繁的启动中。这样，每小时节省的电费相当可观。

（4）调速质量明显提高

采用了变频调速系统后，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

3 改造后的工作报告

在曹妃甸装备制造厂正式投入使用，得到了业主的高度赞许。如图5所示。

3.1 在节能方面

系统所用变频器，具有自动节能操作模式，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达30%以上，一年累计可以节省4000元的电费。每年的设备更新费用可降低50%，检修维护费用可降低80%，总计可以节约5500元左右的设备开支。日积月累，从长远来说，节省的开支相当可观。

3.2 在控制性能方面

与传统的切电阻系统相比，天车采用变频控制后使整机性能有较大的提高.如起升行走平滑，稳定，被吊物件定位准确.根据需要上下，前后，左右，操作都可以无级变速，适应各种实用场合，加上变频器自身保护功能齐全，如过流，过载，过压等都能及时报警及停止，减少了天车故障，提高了安全性能。同时变频器具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。有如下优点：

图5 变频改造完成后的控制柜

（1）速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业；

（2）软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；

（3）高集成度组件及高可靠性低压电器，有效解决原电气系统接线复杂问题，不仅降低了系统故障机率，而且易维护；

（4）电动机在低速时，能200%力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；

（5）具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；

（6）采用变频调速系统后，可完全杜绝操作人员违章操作。

通过此次20/5吨变频天车改造，进一步锻炼了自身的设计与施工能力，加强了技术与人员储备，为下一步在天车变频改造领域开拓市场奠定了良好基础。本次技术改造是将大车、小车、主钩和副钩系统全部改成变频，当然也可以根据需要，单独对大车、小车、主钩和副钩系统中任意部分进行改造。相对来说，变频控制对我们来说是一种投资较大、回报较慢的新兴技术，但是从长远来说，日积月累，节省的开支相当可观：在相同的使用条件下，可以节省30%左右的电量。而且，可以节省大量的人工维护费用。

[责任编辑：丁艳]

（2）工作可靠性显著提高

原拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的，采用变频调速后，可以在基本停住的状态下进行抱闸，闸皮的磨损情况大为改善；

控制系统的故障率大为下降 原系统是由于十分复杂的接触器、继电器系统进行控制的，故障率较高。采用了变频调速控制系统后，控制系统大大简化，可靠性大为提高；停电减速功能 可以在意外停电时使起重机减速停止，消除了突然停车所带来的隐患。

（3）节能效果十分可观

绕线转子异步电动机在低速运行时，转子回路的外接电阻内消耗大量的电能。采用变频调速系统后，外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，而且在电机频繁的启动中。这样，每小时节省的电费相当可观。

（4）调速质量明显提高

采用了变频调速系统后，调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

3 改造后的工作报告

在曹妃甸装备制造厂正式投入使用，得到了业主的高度赞许。如图5所示。

3.1 在节能方面

系统所用变频器，具有自动节能操作模式，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达30%以上，一年累计可以节省4000元的电费。每年的设备更新费用可降低50%，检修维护费用可降低80%，总计可以节约5500元左右的设备开支。日积月累，从长远来说，节省的开支相当可观。

3.2 在控制性能方面

与传统的切电阻系统相比，天车采用变频控制后使整机性能有较大的提高.如起升行走平滑，稳定，被吊物件定位准确.根据需要上下，前后，左右，操作都可以无级变速，适应各种实用场合，加上变频器自身保护功能齐全，如过流，过载，过压等都能及时报警及停止，减少了天车故障，提高了安全性能。同时变频器具有限流作用，可以减少启动时对电网冲击，有利于车间内其它设备正常运行。有如下优点：

图5 变频改造完成后的控制柜

（1）速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业；

（2）软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；

（3）高集成度组件及高可靠性低压电器，有效解决原电气系统接线复杂问题，不仅降低了系统故障机率，而且易维护；

（4）电动机在低速时，能200%力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；

（5）具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；

（6）采用变频调速系统后，可完全杜绝操作人员违章操作。

通过此次20/5吨变频天车改造，进一步锻炼了自身的设计与施工能力，加强了技术与人员储备，为下一步在天车变频改造领域开拓市场奠定了良好基础。本次技术改造是将大车、小车、主钩和副钩系统全部改成变频，当然也可以根据需要，单独对大车、小车、主钩和副钩系统中任意部分进行改造。相对来说，变频控制对我们来说是一种投资较大、回报较慢的新兴技术，但是从长远来说，日积月累，节省的开支相当可观：在相同的使用条件下，可以节省30%左右的电量。而且，可以节省大量的人工维护费用。

[责任编辑：丁艳]