摘要：炼钢车间的钢水运输是靠桥式起重机实现的，而传统的控制方式存在着电能浪费、战障率较高等缺点，容易造成“钢包滑落”等事故，起重饥的行走由4白电机驱动，为了使起重机平稳行走，4台电机必须保持㈦步结合改造应用实例，针对桥式起重机负载由控制特点，童点介绍了直接转矩变频器控制系统的设汁、选型及参数配置，解决了多台电机的负荷平衡问题，克服了“啃轨’’现象，减少了设备故障关键词：起重机；变频控制；负荷平衡控制；直接转矩控制

0         引  言

    起重设备在各行各业都有广泛应用，尤其是冶金行业，其数量多、吨位大、重要性突出是不争的事实。在炼钢车间经常发生与起重机相关的“泼钢”“溜包”等恶性事故。

    起重设备具有重载起动、发电状态运行、行走机构为多台电机驱动等特点，其对控制系统的要求较高。因此，在起重设备上应用变频技术应更加谨慎。但随着变频技术的完善和人们不断的实践，起重设备变频技术应用的难题已经解决，本文介绍了一个炼钢车间起重机改造的实例，采用变频技术后，经过运行取得了满意的效果。

1  原控制系统的不足

该炼钢车问起重机使用已超15年，电气系统故障频发，性能不佳，主要表现在以下几个方面：

    (1)调速性能较差。原米起重机采用的是转子串电阻调速，调速不能连续进行，且起动冲击较大。这种调速方式小改变同步转速，只改变机械特性的斜率，造成传动系统机械特性很软，使起重机运行小够平稳。

    (2)驱动失衡，有“啃轨”现象：该起重机的大车行走机构由4台电机驱动，随着设备的老化，电机的参数刘称性变差，用传统的方法进行调整难度较大，经常出现“啃轨”现象，致使运行中出现抖动和噪声，也降低了设备的寿命、(3)故障率高，运行成本增加。传统继电器控制系统的元器件故障率较高，尤其是重载频繁起动的情况下，更是如此起重机是位能负载，经常由于控制系统与机械抱闸的配合失误或不协调而引起“溜包”故障，造成较大的损失甚至人身事故。

(4)保护措施不完善，易发生电机烧毁的现象。起重机的使用环境一般比较恶劣，并且绕线式电机本身具有电刷、滑环等薄弱环节，需要经常进行维护、维修，否则就会造成电机故障。

    (5)增加能耗。起重机经常在低速状态下运行，大量的转差功率消耗在转子串接的电阻上。

2  工艺要求

该起重机参数如表1所示。

    由表l可知，起熏量较大，提升速度较快，调速范围较大，行走机构为4台电机独立驱动，故对起重机提出了以下工艺要求：

    (1)电气控制系统须有足够的起动力矩，以适应重载起动的要求，甚至零速时有较大的力矩输出；(2)适应频繁起动、制动，满足电机四象限运行的需要；(3)由于是势能负载，电气控制与机械抱闸必须有协调的配合，以避免在下放时产生“溜钩”事故；(4)起重机的行走机构驱动必须同步，以避免“啃轨”现象的发生；(5)起动须平稳，有预拉紧功能，防止冲击；(6)满足调速范围要求。

通过分析，认为采用变频驱动方案是可行的，不但能满足要求，还能改善系统运行的品质

3控制方案及变频器选择

3.l控制系统选择

变频器的类型很多，就控制方式而言．有u/f恒定控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制(Direct Torque confrol，DTc)，不同的控制系统其性能不尽相同，所适应的负载也有隧别。前已述及，起重机具有势能负载的特性。因此，要求系统在动态过程中具有较快的转矩响应，且具有较火的起动转矩，****在零速时能具有****的转矩输出。根据这些特点，经过技术比较，认为选用DTc系统最为恰当DTc技术，是利用空间矢量直接在定子坐标系下分析异步电机的数学模型，计算与控制异步电机的磁链和转矩，即DTc系统足把转矩作为直接跟踪控制对象的．其强调的是转矩的直接控制与效果。采用DTC的交流调速系统可获得比矢量控制要快得多的转矩响应，据资料介绍，无速度传感器的矢量控制系统的转矩阶跃响应，约为6～7ms，而DTc系统的转矩阶跃响应可达到I ms左右。由此可知，其可做到力矩的建立优先于速度。

    根据以上分析，对于起重机的主、副钩驱动选用了Acs800的变频器。该变频器可以应用在有较高的过载能力要求的场所，其传动的核心技术足DTc；具有高精度的动、静态指标和大的起动转矩；速度的静态精度可以到O.01％，动态精度可以到0.1％；在零速时可以输出l.5～2倍的额定转矩；具有方便灵活的编程功能和多级速度设定功能；具有电磁制动、直流注入方式的能耗制动和专用的机械制动器的控制功能。还可以设定不同的起动转矩和速度曲线，并可通过数字量输入来设定多级速度，有利于平稳起动、制动和准确停车，可以很好地满足起重机吊钩驱动的特殊要求。

3．2变频器容量选择

仅以主钩为例，主钩电机为YZR系列电机，电机参数如下。型号为YZI／355112—10，电压为、380 v，50 Hz；功率为132 kw，电流为273.3 A，转速为588 r／min，效率为0.93，功率冈数为O.85。

    列于起重机系统而言，属于满负荷、静荷载起动，因此，要求起动力矩大，且在零速时能有克服重物势能的能力。因此，在选型计算时，一般要求按相关公式计算后，再加大一一级。变频器的容量计算可按式(1)进行：

参考ABB公司的Acs3800的手册并考虑重载起动，选用了Ac$800一04—0260 5变频器，其额定功率为160 kw，电流为212 A。为了可靠起见，在选定后还应按式(2)、式(3)进行校验：

    把数据代人式(2)、式(3)即可验证，所选变频器容最满足要求。

3．3起动曲线形状选择

Ac$800变频器可以提供线性起动和s型起动方式。该例中由于是重载起动，并要求平稳，因此把起动的速度轨迹设置成“s”曲线，如图1所示。s型起动曲线特别适合于起重机负载，可以起到预紧的作用，有利于减少没备故障，在设定参数时取底部弧线的时间为上升时间的1／lO。

    速度上升时间设定为10 s．为减少冲击，起动时采用了分级起动，第一级为25 Hz，第二级为50 Hz。速度运行图如图1所示，由实际观察可知，运行较为平稳。

4行走机构的负荷平衡措施

起重机行走机构(大车)由4台电机驱动，由于行走大车是一个刚体，相当于同轴运行，但又由于是桥式，特别容易走偏，因此，保持4台电机同步很重要。对于多台电机同轴驱动的情况，电机的同步是一个控制难点，主要是由信号传递和设备参数不对称性造成的。采用直流电机驱动时，解决的办法是电枢串联供电，并分别在每台励磁回路中串电阻进行微调：对于交流电机，参数的分散性更大，负荷平衡问题更难处理。针对这类问题，Ac$800变频器专门开发了主／从控制功能，解决了负荷平衡问题。

主／从控制是专门为多机传动应用而设计的，在几台变频器中，设置某一台为主机，其他为从机，主机以，“播的方式向从机发送指令，并跟踪检查从机的状态，以实现协调控制。  一个主机最多可带10个从机。采用主／从控制，必须增加号用传动单元(RD—cO板)，该单元负责信息的传递和运算，主／从控制信号是采用光纤环形连接，以总线方式通信。其中中：T为发送器连接，R为接收器连接，接线示意图如图2所示。该例共有4台变频器，即l台为主变频器(MAsTER)，另外3台为从变频器。由于是低速轴刚性连接，故主变频器设定为速度控制，从变频器设定为转矩控制，以保证各变频器的负荷平衡。当主变频器发生故障时，全部从变频器以自由停车方式停机，单台从机出现故障时该变频器停机，其余可继续运行。但在该变频器故障排除后，必须全部停止后再重新起动，才能投入。由于桥式起重机的特点不同，当有一台从机发牛故障时，要求发出报警，尽快修复。

5制动方式选择及设计

为了实现准确停车和防止重物失去动力时的“溜钩”事故发生，制动措施非常重要。在没计时，采用了电气制动和机械制动相结合的方法。

5．1电气制动

电气制动一般可采用电磁制动、能耗制动和反接制动。Ac$800变频器内部分别设置了电磁制动和商流注入式(能耗)制动。由于该起重机电机容量较大，电磁制动会使电机严重发热，不人适用。故选用了直流注入制功方式，该制动方式可以把电机锁定在零速，当速度给定和电机速度均降至5 Hz以下时，变频器传动单元发出电机停_卜指令，并在电机定子中注入卣流电流，使电机迅速停止。根据所需制动力的大小，注入电流傅可以在0～l.2倍额定电流之间进行调整，制动效果比较满意一由于是菜单式编程和数字式设定，调整非常方便。

5．2机械制动器的控制

由于制动器从抱紧到松开，以及从松丌到抱紧的动作过程需要时问(约0.65 s)，而电机转矩的产生或消失，是在通电或断电瞬间就立刻反应的。因此，制动器和电机在动作的配合上极易出现问题。如电机已经通电，而制动器尚未松丌，将导致电机的严重过载；反之，如电机已经断电，而制动器尚未抱紧，则重物必将下滑，即出现溜钩现象。因此要有柏应的防止措施Acs800变频器有专用的制动器编程控制功能，可通过编程对制动逻辑进行没置，例如：可以通过变频器的“42 BRAKE CoNTROL”参数对制动器松开电流、制动器松开频率、制动器松开／闭合时间、制动器释放转矩等进行修改该参数共有10个用户编程项目，以保证制动器的可靠动作。在实际调试中，把释放电流确定为电机额定电流的90％，释放频率为5 Hz，释放转矩为1OO％的额定转矩。当动作条件满足时，变频器的可编程输出继电器R01动作，使制动器制动或释放。

    除此之外，制动器还町以接受外部接点的控制．外部接点是供用户增加功能时自行设计用的。在该例中，把过极限位、变频器故障、紧急停车、系统断电等都作为外部接点的驱动信号。当出现上述任做障时，可编程逻辑控制器(Progmmmabk L0g—ic Controller，PLc)就会使外部接点断开，使制动器迅速制动。该工程中的机械制动器采用了大推力液压式抱闸，这种制动器制具有较大制动力，动作迅速。制动器接线如图3所示。

6         结  语

DTc变频器的起动转矩较大，转矩响应快，适合于起重设备系统的驱动。Acs800的主／从控制功能剥于多电机同轴驱动负荷平衡找到了出路，使用方便该系统的设计、选型满足了起重设备系统的苛刻要求，达到了预期的效果。