电动葫芦控制系统改造

何伟峰，祁 广，杜 亮

(河南神马氯碱化工股份有限公司，河南平顶山 467001)

电动葫芦是一种用来起吊、放下和搬运重物、散料并使重物、散料在短距离内水平、垂直方向上移动的起重、搬运设备，是生产过程中不可缺少的一种起重、搬运设备。电动葫芦的主体悬挂在行走小车上，小车在起重机大梁的工字钢下沿上行走进行就位作业。小车构造简单，是一个锥形转子电机推动，由小减速箱减速后带动行走轮行走。一端的锥形电动机，通过花键套和传动轴将动力传递到另一端的减速机，经过减速的动力，传递到中间的钢丝绳卷筒，由钢丝绳和吊钩进行起重作业，这种电动机有制动功能。

河南神马氯碱化工股份有限公司乙炔工序5 t电动葫芦起重机，起重机垂直拖动有一台12 kW的锥形电动机驱动，横向拖动有一台小型的绕线式异步电动机驱动，在原传动控制中，采用接触器控制方式。

原系统经常出现的故障是烧毁电机，电动机在使用过程中由于控制系统的性能限制会发生缺相运行。一般情况下，电动机在缺一相电源时还能继续运转，但由于电动机转矩减小，转速急剧下降，绕阻中的电流突增，使得绕阻的温升增高，若不及时切断电源，将使电动机的绝缘受损，甚至烧毁，造成绕阻内部短路，酿成严重的后果。

另外，锥形电机由于结构上的限制，使得其在绝缘上存在不足，这也是引起绕阻烧毁的一个重要原因。

由于工作环境影响，加上工作任务重，冲击电流偏大，触头烧损、电机烧损，故障率高对生产影响很大，维修量和维修费用也很高。并且此调速方式机械特性软，启动不够平滑，配电回路及长期发热浪费能量。

其系统存在的主要缺点如下:

①接触器控制受环境影响，电动机在使用过程中经常会发生缺相运行，在电动机转矩减小，转速急剧下降，绕阻中的电流突增，使得绕阻的温升增高的情况下，容易将使电动机的绝缘受损，甚至烧毁，造成绕阻内部短路，酿成严重的后果。②拖动电动机起动时电流对电网冲击很大，长期进行电能浪费非常严重。③系统机车起动、停止过快，而且都是大惯性负载，机械冲击也很大，使机械设备使用寿命缩短，运行可靠性降低。④电动机一直在额定转矩下工作，而每次工作是变负载，因此造成非常大的电能浪费。⑤由于电机是通过交流接触器控制，切换十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。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。因而设备故障率高，维修量大。

针对上述现有技术存在的不足，本次改造对起重机采用变频器技术。

1 改造方案

交流电动机的调速方式很多，针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能最佳者为变频控制方式。总体方案控制系统框图如图1所示。

图1 改造控制系统框图

系统框图说明:通过外界模拟给定，任意给定频率值;以及设定变频器控制参数;控制端子进行升、降、起、停等操作，整个系统处于开环运行。

2 拖动系统

2.1 升降用电动机选型

由于要求较高，原来采用的是锥形异步电动机;若采用锥形异步电动机，在选择驱动变频器时则需要采用矢量性高力矩变频器，以弥补电机的不足，改善电机因数。由于经济方面的问题，还使用原来的电动机。

2.2 速度整定方法

采用目前国际最先技术具有矢量控制功能的变频调速系统。转速可以分档控制，可以实现多段速度运行，从低到高或从高到低自由切。

2.3 制动方式

采用再生制动、直流制动和锥形电机机械制动相结合的方法。通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的起重机的速度迅速而准确地将转速降到0(使它们停止)。

3 变频调速系统的控制要点

起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电机制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停住状态下滑的现象，称为溜钩。

防止溜钩的控制需要注意的关键问题是:

机械制动器在通电到松开(或从断电到抱住)之间是需要时间的，大约0.6 s(视型号和大小而定)。因此，变频器如过早地停止输出，将容易溜钩。变频器必须避免在电磁制动器抱住的情况下输出较高频率，以免发生“过流”而跳闸的误动作。

为此，具体控制方法利用变频器的零速全转矩功能和直流制动励磁功能的高性能矢量变频器，具备了有效的防止溜钩的一些独特的制动功能，如:零速全转矩功能。变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩。这一功能保证了起重机由升降状态降为0时，电动机能够使重物在空中停住，直到制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩的放生。起动前的直流强励磁功能。变频器可以在起动之前自动进行直流强励磁。使电动机有足够大的转矩(有速度传感器的矢量控制:200%r/min;无速度传感器的矢量控制:150%/0.5 Hz)，维持重物在空中的停住状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

4 改造后控制系统的优点

4.1 变频器调速控制系统的保护功能强

变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作频率高、保护性能完善、可靠性好、使用方便等卓越的性能而优于以往的任何调速方式;使用变频器控制电机的运行控制，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;另外对电机的一些参数做到补偿;对电源的缺相、欠压、过压、过流等都能做到很及时很准确的检测而自动采取应变措施保护电机。

4.2 工作可靠性显著提高

主要体现在: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。

4.3 节能效果十分可观

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，非但外接电阻内消耗的大量电能可以完全节约，并且在起重机放下重物时，还可将重物释放的位能反馈给电源。

4.4 调速质量明显提高

采用了变频调速系统后，调速范围有PG矢量控制时1∶1000，无PG矢量控制时1∶100，速度控制精度有速度传感器矢量控制0.05%，无速度传感器矢量控制0.5%最高频率，并且调速平稳，能够长时间低速运行，具有很高的定位精度和运行效率。

5 变频调速控制系统的介绍

5.1 制动单元和制动电阻

本系统对于重物下降时电动机再生的电能，采取由变频器外接的制动单和制动电阻消耗掉的方式。针对起重机的起重机升降机钩起、制动频繁，要求制动的转矩较大，以及下降时制动状态的持续时间较长等特点，因此:制动单元用标准配置就可以实现制动过程的功能。制动电阻的额定功率可以稍稍的加大一倍。

5.2 变频器选择

变频器选用美国EMERSON(艾默生)品牌变频器。采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值(最大值)来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥(1.05～1.10A)电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。

I1NV≥(1.05～1.10)IN或(1.05～1.10)Imax;式中I1NV，变频器额定输出电流，A;IN，电动机的额定电流，A;Imax，电动机实际最大电流，A。

对于起重机升降电动机，考虑到功能性负载，工作时总是重载起动、制动;而且要求尽可能地快速起动、制动。变频器的容量是按上式计算得到的。

所实现的功能如下:对于普通的负载，停止变频器运转、切断流向电机的电流，则由于负载的反抗转矩电机将减速，并很快停止，也叫自然减速或自由停车。但是，若想在更短的时间内让电机停止，就必须使电机产生与其转向相反的转矩。变频器产生制动转矩时，电机从负载接受机械能，将它变为电能送入变频器，导致直流回路电压升高，此时变频器必须处理这部分能量，否则由于直流回路的电容器被过充电，过压保护动作将使其运转停止。

由电动机同频转速公式n0=60f1/p(n0为电机转速，f1为供电电源频率，P为电机极对数)可知，改变供电电源频率即可达到调节电机转速的目的。我公司在乙炔电动葫芦控制系统改造中，靠变频器预先设定的一个电压补偿到达信号使电动机定子、转子在磁力作用下打开抱闸系统，进而可以进行其他相关操作。操作人员通过起重机升降(升降)操纵联动台分别给其控制的变频器一个起、停、起的信号而让变频器动作。当通过起重机升降控制台给其控制的变频器一个起升的信号后，变频器带动起升电机工作，但刚开始时由于变频器输出的频率还小，而且起升的抱闸电机不会运行，当变频器的输出频率达到预设定的频率后，通过磁力使得电机脱离自身抱闸，电机运行松闸，进而完成起重机上升的任务。当起重机下降过程中，变频器的输出频率较小作用与抱闸系统，就会马上抱闸这样避免起重机失速猛的下落而造成的危害伤害。

乙炔电动葫芦控制系统改造后，可以使普通异步电动机实现无级调速，启动电流小，减少电源设备容量，启动平滑，消除机械的冲击力，保护机械设备，对电机具有保护功能，降低电机的维修费用;同时给操作者的使用带来很大的方便，达到操作灵活简单，安全可靠。该改造项目完成后为公司的顺利生产提供了有力的保证。