无触点控制系统在起重机上的应用

董 彬 李长江 孙 宇 谢晓航

（山东省特种设备协会 济南 250100）

1 起重机无触点控制在起重电磁铁方面的应用

1.1 采用直流接触器的传统电气控制装置存在的问题

起重电磁铁作为磁性材料的搬运工具，在机械制造、冶金等领域发挥着重要的作用。但因电磁铁自身是一种直流大电感性负载器件，传统电气控制装置通常采用直流接触器控制其电路的通断工作和电磁铁的正反向励磁，在使用过程中存在以下问题：

1）起重电磁断电瞬间由于存在剩磁能及磁性材料特有的磁滞现象导致放料时间长、放料不干脆；

2）直流接触器由于切换频繁会出现电火花，容易引起接触器触点粘连、烧灼而引发短路事故，存在安全隐患；

3）运行稳定性差、能耗大、维护费用高等。

1.2 以晶闸管设计无触点控制装置示例分析

晶闸管以其优异可控整流、逆变、调压、变频、无触点功率静态开关的功能，为起重电磁铁无触点控制装置提供了研究方向。

比如，宋恩峰等人设计了一种以晶闸管为整流元件、主回路采用双半波整流外加续流回路的起重电磁铁无触点控制装置[1]，电路如图1所示。该装置利用了晶闸管的功能实现了无触点电路，同时也实现了电源整流和控制装置的功能。无触点电路的实现，省去了直流接触器，使该控制装置大大降低制造使用成本、维修更加方便，同时延长了使用寿命。在该电路中，N1、N2作为触发装置起到关键作用，可以通过调整导通角控制触发晶闸管V1～V4，兼具晶闸管保护功能，同时可调节触发装置内部的旋钮控制励磁、去磁电压高低，进而改变起重电磁铁吸力大小、去磁时间，扩大了适用场所和起重电磁铁的直流电压适用范围（任意直流电压110～220 V）。此装置已在大连华能电厂获得良好应用效果。

图1 宋恩峰等设计的起重电磁铁无触点控制装置电路图

梁胜喜也开发了一种起重电磁铁整流无触点电气控制设备[2]，控制电路如图2所示。其电路采用2组反向并联晶闸管全控桥方式；通过脉冲变压器触发晶闸管全控桥U1整流（0°≤移相触发角α≤90°)，提供起重电磁铁正向励磁电流吸料；放料时触发三相桥式全控整流U1进入有源逆变状态，将起重电磁铁剩磁能回馈电网，另一组晶闸管桥式整流电路U2触发整流对电磁铁反向消磁，抵抗其剩磁，使其放料快速干脆。本实用新型专利无机械触点，使用过程中无电火花、无噪音，延长了使用寿命。

图2 梁胜喜开发的一种起重电磁铁整流无触点电气控制设备电路图

图1是晶闸管半波可控整流电路典型应用，当其带大电感负载时，不管如何调节晶闸管控制角，输出的直流平均电压和电流均很小，如不采取措施，电路就无法满足输出一定直流平均电压的要求；为了解决此问题，可以在电路的负载两端并联一个整流二极管，即续流二极管。图2是晶闸管三相全控桥式整流电路在大功率直流电源中的典型应用，其关键是准确稳定地控制晶闸管的导通角。

2 无触点控制在桥式起重机调速方面的应用

2.1 调速装置应用过程中存在的问题

调速装置是起重机运行中极为重要的部件之一，目前大多数桥式起重机采用改变绕线式异步电动机转子的串联电阻来完成调速控制，调速装置主要由调速电阻、切换电阻交流接触器、延时切换时间继电器、凸轮控制器等组成，使用过程中主要存在以下问题：

1）启停动作频繁，接触器线圈因其频繁切换大电流，触头易出现烧灼、粘接现象而引发短路事故，并且接触器线圈易损坏；

2）由于其振动强度大，继电器或接触器机械部分损坏率高；

3）整套调速装置可动部件多，容易出现因机械故障导致的失灵、卡死现象；

4）起重机能耗大等。

2.2 无触点开关元件（晶闸管）技术研究

传统的调速装置以交流接触器、继电器等元器件最为常用，但是往往会出现以上问题，因此开展无触点开关的调速装置也成为研究的方向之一，而晶闸管作为一种大功率电器元件，可以作为调速装置的主控制切换单元，可有效代替传统模式，具有以下优点：

1）可实现小功率控制大功率，且功率放大倍数可至几十万倍；

2）微秒级内可实现开通、关断，反应极快，效率高；

3）无触点运行，无火花、无噪音；

4）体积小、效率高、寿命长且成本低等，在自动控制系统中，可作为大功率驱动器件，实现用小功率控件控制大功率设备。

它在交直流电机调速系统、调功系统及随动系统中得到了广泛应用，因此，晶闸管作为起重机无触点控制的核心器件在桥式起重机调速装置方面起到关键作用。

比如，王志彬等人利用晶闸管小电流控制大电流的优点，将单向晶闸管应用于160 t冶金起重机主起升机构调速控制系统[3]，功率放大倍数提高到了数十万倍，实现了起重机的无触点控制，运行中无电火花、无噪音，实现了运行过程中的安全性环保；在微秒级内可以开通、关断，实现了快速通断；故障率低，维护简单，成本低，能够快速完成检修、故障验证修理等工作，保证了冶炼行业安全生产过程中的安全和健康。

又如，C钢铁企业280 t铸造起重机起升机构通过调压和正反向接触器切换完成三相绕线式电动机的调速，容易出现接触器触点灼烧粘连、机械性卡阻等问题。尤其会出现由于主起升机构换向接触器辅助触点损坏导致的“非指令”动作现象，即该起重机主起升机构由重载高速挡位下降调至低速挡位下降时，下降速度不降反增、电动机出现异常响声，并且其控制程序中也未设置相应保护功能。通过模拟分析，刘跃强论证后将接触器换向升级为晶闸管换向，从根本上杜绝了“非指令”动作现象的发生[4]。

2.3 双向晶闸管作为调速装置的主控制切换单元示例分析

廖志雄等人研发了一种适应恶劣环境的桥式起重机高可靠性调速装置[5]，目的是克服传统调速模式的问题，降低了调速成本和提高了调速装置的可靠性，也同时减少人为操作不当引发的故障及方便检修和检验作业，其设计的电气控制主回路原理图和控制回路如图3所示。

图3 廖志雄等研发的一种适应恶劣环境的桥式起重机高可靠性调速装置电气控制主回路原理图和控制回路

该装置以双向晶闸管为桥式起重机调速装置的主控制切换单元，代替接触器，充分利用晶闸管无触点开关技术、无保护元件的自动限制非正常电流技术及无触点自动延时换挡强触发技术。其中，通过控制晶闸管的电压变化率和上升电流，实现无自动开关、无熔断器、无电抗器线圈、无电容器等保护元件的自动限制非正常电流功能，解决了频繁操作交流接触器引起的弧光闪烁、触点拉弧烧伤、电气短路问题，以及在工作时经常发生交流接触器主触点接触不良，引起转子电阻不平衡，电动机振动大、发热严重，电机烧坏，备品备件消耗量大的问题，有效避免了接触器铁芯诸如结合面脏污、磁滞、噪音大、断开动作迟缓和接触器线圈烧损、电阻箱发热等问题。该装置可使桥式起重机在高温、多粉尘、腐蚀等恶劣环境中可靠安全运行，同时实现故障点可视化设计，定期检验更方便，大大提高了设备检验、检修的安全系数。

此外，双向晶闸管在工作时由于在正反2个方向的触发灵敏度不同，可能会出现正负电流波形不对称和直流分量等问题，廖志雄等人研发的调速装置利用了强触发技术[5]，有效解决了对双向晶闸管难触发问题。吕琳等人在研制的全数字无触点起重设备控制装置中采用了独特的触发电路来解决问题[6]。

3 结束语

随着电力电子技术的快速发展，无触点电控系统越来越多地应用到起重机设备上，可有效解决传统起重电磁铁和调速装置的故障率高、安全隐患大等问题。起重机安全管理人员及作业人员需要在运行中对数据进行收集积累，同时设计制造人员也要在此基础上进行分析对比改进，在实践中不断修正，进而提升整个起重行业的技术水平。