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Comparison of Conventional and Frequency Converter-Uriven Overhead Bridge Crane Control Systems
Darmadi Hartantorsquo;), Gustav H. Vaupel”, Wolfgang Ganselrsquo;) and Gerhard L. Fischer3rsquo;
lsquo;)University of Applied Sciences Hamburg, Department ED, Berliner Tor 3, D-20099 Hamburg
rsquo; ) Siemens Ltd., Aamp;D, 10” Fl., China Marin Tower, 1 Pudong Avenue, Shanghai 2001 20, China
3)Siemens Ltd., Aamp;D, 19* Fl., 333 Tun Hua S. Rd. Sec. 2, Taipei 106, Taiwan
常规与变频器调速桥式起重机控制系统之间的比较
译者：范朝辉
摘要
桥式起重机(OHBC)作为一种基本的物料搬运设备，在许多行业中得到了广泛的应用。例如，大型钢厂通常在一个站点上运行几百个桥式起重机。今天，对于桥梁起重机而言，有各种不同的驱动技术可用。但是，由于成本的原因，现代驱动概念并没有得到广泛的实际应用。下面的文章分析了额定负载为10公吨的常规接触器控制的桥式起重机的电气和操作特性。将这种简单的常规控制方法与改造后的起重机的性能进行了比较。本文将详细介绍齿轮箱和电机轴上的机械应力、电网中的峰值电流波动、电力消耗、运行性能和可靠性等方面。本文从只考虑初始投资的角度出发，为现代交流传动系统的评价提供了依据。
1 常规控制系统设计
桥式起重机实际上用于钢铁厂、造纸厂、造船厂、发电厂等需要吊装和运输重物的工厂。
如果运输的货物不是特别易碎，那么出于成本考虑，起重机电气控制系统的设计比较简单。下面的文章将表明，购买这样一个简单的起重机控制系统的决定带来了很多不想要的副作用。本文进一步描述了这样一个10吨桥式起重机的简单控制系统是如何改造的。这台改造的桥式起重机被使用于台湾高雄的一家汽车修理厂。
1.1 控制电路
下图为原葫芦、小车、桥架的电控线路图
传统的接触器起重机控制
每个动作在供电支路上使用两个接触器。一个接触器将电动机切换为顺时针三相交流系统，另一个是逆时针。接触器由起重机操作员控制箱中的按钮控制。每个电机都有一个固定的制动装置，一旦连接到电压上，制动装置就会释放。5个~限位开关用于限制吊装、小车、桥架的运动，具体如下:
提升限位开关，限制向上提升的动作
小车左右移动限位开关
桥架向前和向后限位开关
1.2 起重机电力供应
起重机的输入电源为三相交流400v无中性点（即三角形接法）。如图所示，沿着工厂大厅的墙壁安装了三根导轨。（原文的图看不清楚，便没有放图）。
这些轨道导线通过长碳刷为起重机提供三相交流400v电源。桥上安装了5根钢轨导线，其中3根用于向小车分配功率，另外2根用于控制桥架前接触器和桥架后接触器。
1.3直接实时控制
小车上安装了如下图所示的小控制面板。四个接触器和一个单相变压器被放置在这个面板中。单相变压器将交流400V转换为110V，通过控制箱中的按钮激励接触器。
2 常规系统的行为
传统的接触器控制系统具有以下优点：
设备成本低
维护简单
然而，用户也不得不承担以下缺点
对机械部件如刹车、电机轴和键有很高的应力
交流电源线路中浪涌电流大
维护成本高(电机更换、轴失效)
2.1电动机电涌
当电机与电网电压接通时，转子处于静止状态。转差率是100%。在定子绕组中，堵转电流的流动的，一般来说
——其加速时电流是额定电流的4-8倍。电流随着转子转速的升高而逐渐衰减，即转差率向额定转差率靠近。提升电机的额定功率为PN= 15kw . VN= 380V。IN= 28.4A。在起重机的使用寿命期间中，提升电机出现过几次故障，后来又重新绕线。由此产生的电机特性提供的转矩大大低于原来的电机。因此，吊车只能吊起设计载荷的75%。这也拉低了预期的电机电流波动。以下是关于葫芦电机在加速过程中的波形图。
对于6吨载荷，提升电机加速时的电流
对于额定PN=1.5 kw、VN=380V、IN =3.2 A的小车电机，其在加速过程中的测量行为符合理论预期:
台车电机电流的波形图
对桥架电机而言，由于要加速的质量较大，因此电涌将更加严重。为了避免过热，初始加速度是在降低定子电压的情况下得到的。计时器在预设时间后切换到全电压
桥电机电流
在这种工作模式下，电机和齿轮箱受到相当大的机械应力。启动扭矩一般为1.5-3倍额定扭矩。
由于铜损耗与电流的平方成正比，启动阶段的过大电流会造成高功率损耗。在起重量较大的情况下，起重机操作员需要“点动”操作很多次才能实现较好的启动。
2.2能源效率
葫芦运行的功率变化如下图所示。
葫芦的扭矩-速度变化曲线
葫芦电机在提升过程中消耗电能，在下降过程中再生发电。提升时系统储存的势能描述如下:
其中m——载荷，g——重力加速度，h——起升高度
提供给起重机的电能如下：
其中Eloos_h代表起升过程中的损耗
经过一个完整的周期操作，包括提升和下降，系统的总损失可以计算如下：
现在，系统的整体能效可以等效为如下：
Estore是一个已知的量，因为质量和提升高度是已知的。测量能量损失，然后计算起重机的整体效率。净能耗(即起重机的总损耗)是在8.1吨负载的一个升降循环周期的结束点测量。 这个实验使用了一个标准的千瓦时表。 根据上述测量结果，该提升系统的能量效率为eta;=67%。
2.3机械应力
提升电机的制动机构是电磁激励盘式制动器。两个圆盘与电机轴一起旋转，三个圆盘悬浮在电机非轴伸端的安装螺栓上。
一般在直接实时控制模式下，刹车控制不是很精确。当马达仍有足够的速度时，通常刹车就会关闭。由此产生的应力对制动装置来说总成是实质性的。对于起重机上的电机，四个安装螺栓中的一个已经被发现损坏，其他螺栓至少有严重磨损的迹象，
3 改造的概念
改造工作的目的是将一个简单的控制系统替换成为一个变频器系统。变频器系统的设计目标如下:
通过葫芦和小车电机共用一个变频器实现成本效益
对系统部件施加最小的机械应力
改进速度控制特性
降低电涌
对于提升和小车运动，通过支路接触器来实现高可用性
对环境条件不敏感
变频器控制电路
用于改造的起重机是在一个电机维修车间工作。修理师实际上需要对葫芦和小车的运动进行精细的操作，以避免敏感部件的损坏，例如大型电机装配时的套筒轴承。
因此，建议在葫芦和小车的运动中安装变频器。这个变频器被两个电机共用。驾驶台控制应保持直接实时控制。在紧急情况下，葫芦和小车的运动都要经过一个旁路，这样即使变频器有故障，葫芦和小车也能正常工作。
4 变频器控制系统
4.1变频器系统
选用来自西门子的SIMOVERT MASTERDRIVES主驱动模块系列的组件建立变频器系统。为了确保较高的能源效率，再生馈电单元将交流电源电压转换为直流电压。然后，将直流电压馈入具有磁场定向控制的变频器，该变频器以先到先得的方式驱动葫芦和小车电动机（请参见上面的电路图）。这种馈线结构是成本最优的，但缺点是晶闸管桥馈入电网需要一个稳定的3级供电电压。不稳定的电源电压会导致换向失败，从而熔断器熔断。
在此基础上增加了自耦变压器，提高了馈线电压水平，提高了对电压下降的耐受性。对于提供导体母线的起重机来说，这一要求尤为重要，因为在桥架运行过程中，电刷可能会从母线上弹开，或者母线上可能覆盖着不导电的材料，从而产生电压下降导致熔断器熔断。
新安装的葫芦电机(Siemens 1LA7系列)规格如下:
额定功率PN = 17.5 kW
额定电流为IN34.2安培
额定转速nN = 1760 rpm
电机电流的计算表明，当负载为10吨时，电机将以28.5 A的电流加速。选择额定电流为34A的逆变器。从如下图所示的测量结果可以看出，变频器系统避免了传统系统中典型的高电涌。系统的机械应力被减小。
负载为7.2吨时，电机扭矩变化
与传统系统一样在一个完整的提升/下降周期内进行的能量损失测量，结果显示“系统总效率约为63%”。虽然这是略低于传统的系统，但必须注意的是，变频器系统不会因频繁的“点动”而恶化，而常规系统的损耗会逐步增大。
4.2速度控制及联锁
SIMOVERT MASTERDRIVES变频器在基本控制板上提供了大量不同的自由逻辑块和数字IO功能，这些自由可编程功能和I/O口用于实现起重机联锁和定点控制功能。特别关键的是葫芦刹车的控制。该变频器能够实现刹车的精准控制而没有负载下垂的危险。
葫芦和小车控制采用两步按按钮，第一步为加减速后的速度保持，第二步为加速。加速和减速时间调整为2-3秒
由于只有一个变频器驱动葫芦和小车电机，所以无法同时运行两个运动。不过，转换时间只能保持在1秒左右。当从一个动作转换到另一个动作时，变频器会切换参数集，以实现所有特定于电动机的保护功能，例如 速度，电流，I2t跟随实际的电动机驱动。
变频器允许对电机温度进行模拟量读数。在130℃时发出警告信号，在150℃时触发故障。
为了提高起重机的生产率，在吊钩上安装了“取决于负载的磁场弱化”功能，检测吊钩上的实际负载，当吊钩空空如也时，电机会超速运转。
4.3取决于负载的磁场弱化
负载相关的磁场弱化要求感应电动机在额定频率以上的磁场弱化范围内运行。电机的最大工作频率是由负载决定的。负载相关的频率组件将被添加到额定频率。在磁场弱化范围，允许长时间工作的电机转矩与转速n成间接比例减小，而异步电机的极限转矩与n方成间接比例减小。 因此，在此范围内的电机选型至关重要。
4.4急停电路
旧的起重机控制系统没有任何紧急停止电路。这样一个有两个紧急停止按钮的系统被改造。一个蘑菇按钮置于操作员控制箱上，另一个放置在面板门上。
急停功能必须符合IEC 60204 0类标准，其中要求：“停止指令发出后，必须立即断开驱动器的电源。这是一个不受控制的停止。”该标准进一步要求:
紧急停止必须优先于所有其他功能
所有驱动器的电源必须尽快关闭，以免造成任何危险状态
重置可能不会导致重新启动
为了满足所有上述要求，选择了西门子SIGUARD接触器安全组合。接触器安全组合是作为接触器继电器辅助触点的互连而设计的，以确保在继电器发生故障的情况下，安全电路必须保持工作可靠。下图说明了两个急停按钮与SIGUARD接触器-安全组合的连接
位于操作面板的急停按钮
位于控制箱的急停按钮
SIGUARD接触器-安全组合的接线图
图中K01为安全接触器组合的控制触点，KO为主接触器线圈。
下图为实际建成的控制箱（原图模糊不清，就不放图了）
5比较评估
下表提供了两种配置的比较概览:
|
传统 |
变频控制 |
|
|
速度控制 |
直接实时控制，即只能特定速度 |
变速 |
|
负载控制 |
空载和满载速度相同 |
负载速度相关联，没有负载速度会更快 |
|
刹车控制 |
电机运行中瞬时制动 |
仅在速度十分低的时候才会刹车，例如速度小于额定5% |
|
机械应力 |
在加速和减速过程中扭矩激增，制动器严重磨损 |
可控制电机的加速度，不损坏齿轮系上的跳动 |
|
能耗 |
能量再 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料 资料编号：[237800]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word |
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