天车电气系统变频改造研究

贾艳波 张建树

（中国二十二冶集团有限公司 机电公司，河北 唐山064000）

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。

图1 主电源控制系统

图2 主、副钩及大车电气控制系统

图3 小车电气控制系统

图4 主令接线图

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。