橋式抓斗起重機變頻改造系統方案

“橋抓”在運行過程中負載的變化十分復雜，在拖動過程中對轉矩要求高，特別要求變頻拖動與調速系統在低速包括零速時應能輸出較大轉矩（>150%額定力矩），動態響應快，能承受四象限力矩的變化，“橋抓”在運行過程中，電機處于頻繁的正反轉切換運行，起動時沖擊力大；“橋抓”的抓斗是提升負載，當抓斗由下至上運行時，電動機工作在電動狀態，當抓斗由上至下運行時，電動機工作在發電狀態。

傳統的“橋抓”電氣傳動系統采用轉子串電阻的方法起動和調速，抓斗的卷揚、開閉電動機在使用過程中反復承受無數次的倒順轉操作，經常受強電流、大力矩沖擊，對電機和機械部件損傷較為嚴重，交流接觸器、電阻箱、滑環碳刷使用壽命短，嚴重影響生產。要從根本上解決“橋抓”故障率高的問題，只有徹底改變繞型電機轉子串電阻的調速方式，應用變頻器其優越的軟啟及調速性能與完善的保護功能，為“橋抓”的傳動系統可靠運行提供有利的條件。

2 改造方案
由于抓斗兩臺電動機的運行狀態是可逆的，所以采用的變頻器也應是可逆的，而用于“橋抓”的變頻器能實現是象限運行，它能將電網的電力輸送給電動機，拖動“抓斗”上升，而當“抓斗”下降時，通過自動放電單元，將電動機的再生能量消耗在放電電阻上，并起到“能耗制動”的作用。

2.1 動力回路
進線交流接至“橋抓”操作臺空氣開關柜內，大車、小車電機保持原有接線方式。加裝HRS-200刀熔開關作為主吊，開閉調速電動機變頻器的斷開點。刀熔開關的上端接至拖纜端子盒，下端接變頻器的輸入，變頻器輸出接電動機。變頻器的過壓過流、短路等保護功能作為電動機保護，刀熔開關及電源總空氣開關作為變頻器的后備保護。

2.2 控制回路
“橋抓”操作臺的運行指令，外部動作要求信號通過控制單元與變頻器連接，變頻器對外的動作要求信號通過控制單元與外部執行單元連接。控制轉速點數由主令控制檔數設定。繼電器及相應其他元件，都選擇采用優質品牌的歐姆龍或富士產品。

3 主要技術參數
在橋抓上應用變頻器，因為其特定的工況要求及特殊的負載特性，也就決定了如何使用變頻調速裝置的型號、功率、保護等技術參數的合理配置，必然要結合現場生產設備具體情況慎重考慮選擇。
以下簡述一下我單位在改造舊“橋抓”采用變頻調速時，進行分析選擇的幾個主要技術參數。

3.1 驅動電機
傳統的交流起重機用繞線式異步電機，其輸出外特性與轉子電阻有關。而改用變頻調速，通過保持電壓/頻率（V/F）基本恒定條件下，改變頻率來實現調速，因此可用結構簡單，維護方便的鼠籠式異步電動機來取代。但必須滿足功率、轉矩、散熱等要求。

3.2 變頻調速器
考慮到“橋抓”工況可變性大的因數，所以選用比電機功率升一級的變頻器。例如：用37KW的鼠籠式異步電動機，應選用45KW的變頻器。投入資金雖然要增加一點，但變頻器功率模塊承受頻繁起動電流沖擊的能力及設備的可靠性卻大為增加。

3.3 拖動轉矩
日立J300系列變頻器具有無速度傳感器矢量控制技術，當變頻器有0.5Hz輸出時即有150%以上的高起動轉矩，保證懸空起動及低速運轉時的電機力矩，并可在10：1的速度范圍內（6-60Hz/5-50Hz）以100%轉矩連續運行。速度調速偏差小于±1%。并利用一個高速微處理器和裝備DSP來提高響應速度，在提升設備中對防止“滑落”很有效果，轉矩響應時間約0.1秒便可達到100%的轉矩。

3.4 能耗制動單元
“橋抓”在操作抓斗下落時，變頻器將受到較高電勢的能量釋放過程，為保證變頻器不過壓跳閘不被擊壞，增設能耗制動單元來保證變頻器的正常工作。進行制動時放電電阻與電機內部的有功損耗部分結合成制動轉矩，大約為電機額定轉矩的20%。制動電阻的計算如下；
RBO=UC2/0.1047(TB-0.2Tm)n1 (1)
式中：UC——直流回路電壓；
TB——制動轉矩；
Tm——電動機額定轉矩；
n1——開始減速時的速度；
由制動單元和制動電阻構成的放電回路中，其最大電流受制動單元的最大允許電流IC的限制。制動電阻的最小允許值Rmin為：
Rmin= UC/IC （2）
因此，制動電阻應滿足以下選擇范圍Rmin < RB < RBO （3）
制動電阻所需功率PBO（KW）計算如下：
PBO=0.1047(TB-0.2Tm)（n1 + n2）*10-3/2 （4）

3.5 功能參數
變頻器調式投用時，功能參數的設置，直接關系到變頻器與設備運行工況是否配合恰當的重要環節。比如F2輸出額定頻率的設定，F6加速時間的設定，F7減速時間的設定，A0轉矩控制方式的設定等等。特別是電機參數的測定，均需通過“橋抓”使用過程中結合設備運行情況不斷摸索修正。否則，由于某參數設置不合理，也可能使變頻器工作不正常或造成電機過熱等未能預想的異常情況發生而損壞電氣設備。

3.6 運行環境
由于變頻器應用與橋抓上，工作環境差。如粉塵多，振動大，雨天空氣潮濕等。因此，運行中應注意變頻器的緊固與防潮以確保變頻器的安全運行。

4 應用效果
經過多放面調研和技術咨詢最終采用安川G7變頻器，對橋抓主吊開、閉兩臺37KW電機進行變頻調速改造，經一年多的運行基本達到預期目標，取得了良好的使用效果，并歸納總結如下：
4.1 由于省去了切換轉子電阻CJ12-100A交流接觸器、滑環碳刷架、碳刷、串聯電阻等電氣元件因而大大減化了電氣控制線路。不僅節約了電氣檢修費用并且提高了設備安全穩定可靠性。
4.2 變頻調速電機的軟起動，避免了機械受大力矩沖擊的損傷和破壞，減少了機械維護及檢修費用，尤其明顯減少了更換鋼絲繩的工作量及檢修費用。
4.3 最主要的受益體現在設備健康水平提高，根本性地解決了沒有頻繁故障的老大難問題，提高了設備的運行效率。
4.4 與原橋抓的調速方式相比，由于減少了交流接觸器、碳刷、串聯電阻等電氣元件的能量損耗，一定程度地收益到節電的效果，經測算全年節約各項費用3萬多元，預計投資回收期約三年。
（由于“橋抓”的穩定可靠，運行、帶來的社會效益和間接效益是無法估計的）
4.5 主令控制器的控制電流大大減小，從而提高了操作的可靠性