3000吨浮吊吊机变频控制系统浅析
巢峰
摘要：3000吨浮吊吊机的变频控制系统与常规的继电接触器控制系统相比机械特性硬，无级调速范围宽、精度高，起、制动平稳，维护简便。本文是根据3000吨吊机上Rockwell Power Flex700S变频器的使用和维护体会所作的总结。
关键词：3000吨浮吊 起重机 变频器
0 引 言
海工浮吊吊机由于在海上施工的特殊环境对调速性能有很高要求，传统的起重机调速方法如绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等由于绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高。 而3000吨浮吊吊机所采用的交流变频控制系统不仅为交流异步电动机驱动的吊机实现了大范围、高质量地调速，而且由于控制线路简单，保护监测功能完善，在运行可靠性和方便维护的角度上较传统的交流调速系统有较大的提高。
1 3 000吨吊机变频器
本吊机采用Rockwell PowerFlex700S交直交变频器，先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。如图1所示，该变频器由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。
电网侧面的变流器是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流。
负载侧面的变流器为逆变器。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1 。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电抗器来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
制动单元会把多余再生功率消耗掉，以免直流回路电压的上升超过限值。
控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。本吊机的变频器用PLC控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。
2 3000吨吊机优越的性能
3000吨吊机具有大的启动转矩、超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，在起动加速过程中可提供200%的额定转矩。起升机构在将重物吊离或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器能对这种冲击性负载进行平滑控制。运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击小，安全性高，并且延长了起重机机械部分的寿命。
电机调速范围宽，负载变化时转速不会随之变化，可实现海工作业时的精确控制定位要求，比如在有风浪的情况下将平台精确定位安放到导管架上这样的施工。而且变频器实时监测电机的运行速度，当电机速度大于设定的最高允许速度或速度偏差值时，变频器发出故障报警并立即停止输出，机械制动器动作，使起重机处于安全状态，不会出现溜钩等危险状态。
由于采用编码器进行闭环控制，可以做到零转速满转矩输出的悬停控制。因此电机和大绞车的刹车打开之前，不会产生过大的电流，停车时也可以到零速时再关闭电机和大绞车的刹车，避免对机械的冲击。并且由于具有悬停功能，在频繁起停时，可以不关闭机械刹车，提高了工作效率。所以3000吨吊机的变幅、主钩、辅钩、小钩由电气制动完成，机械制动器在电动及绞车停转时动作，这样的话使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，所以机械制动器的制动片寿命大为延长，维护保养费用下降。
当变频器传动的起升机构向下运行或急减速时，异步电动机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。Rockwell Power Flex 700S变频系统在中间直流回路设置制动单元和电阻，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，避免直流回路电容电压升到保护极限值后变频器过压跳闸。
同时，吊机变频器具有强大的驱动执行软件DriveExcutive，方便工作人员通过人机界面对系统进行现场监控和功能修改。如图2所示，我们可以通过修改30和31号参数来改变主钩驱动电机正反转的最高转速、通过修改32和33号参数来改变主钩驱动电机的加减速时间，这在海上施工中非常重要，比如在天气恶劣的情况下需要精准对位，我们可以在允许的范围内通过修改这4个参数来提高电机的反应速度，但是这样对系统的冲击会比较大，而当海况较好或者不需要精准对位时，我们可以再将这4个参数恢复正常值以保护设备。如图3所示，我们可以在辅钩吊重时建立关键几个参数的趋势图，观察电机的转速、电流、直流母排的电压是否有异常，便于工程人员及时发现和解决问题。
图 2 主钩驱动电机主要参数
图 3 辅钩驱动电机吊重时主要参数趋势图
3 结论
3 000吨浮吊吊机的变频调速系统由电位器作为输入给定，通过变频调频调速电控设备、重量传感器、限位开关、电磁阀等配合使用来控制起重机交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调节。采用交流变频调速和可编程控制技术，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等功能，保证了吊机在海上施工时安全平稳的运行。
参考文献
[1] 张三豹.变频器在起重机中的应用[J]. 起重运输机械， 2001.
[2] Allen Bradley. Power Flex700S High Performance AC Drive[M]. Rockwell Automation，2007.
[3] 王卫锋.罗克韦尔自动化变频器应用[M].Rockwell Automation， 2008.
[4] 姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福建科学技术出版社， 2005.
[5] 张登山.西门子通用变频器应用实例[M].SIEMENS， 2002.
摘要：3000吨浮吊吊机的变频控制系统与常规的继电接触器控制系统相比机械特性硬，无级调速范围宽、精度高，起、制动平稳，维护简便。本文是根据3000吨吊机上Rockwell Power Flex700S变频器的使用和维护体会所作的总结。
关键词：3000吨浮吊 起重机 变频器
0 引 言
海工浮吊吊机由于在海上施工的特殊环境对调速性能有很高要求，传统的起重机调速方法如绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等由于绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高。 而3000吨浮吊吊机所采用的交流变频控制系统不仅为交流异步电动机驱动的吊机实现了大范围、高质量地调速，而且由于控制线路简单，保护监测功能完善，在运行可靠性和方便维护的角度上较传统的交流调速系统有较大的提高。
1 3 000吨吊机变频器
本吊机采用Rockwell PowerFlex700S交直交变频器，先把工频交流通过整流器变成直流，然后再把直流变换成频率、电压均可控制的交流，又称间接式变频器。如图1所示，该变频器由主回路（包括整流器、中间直流环节、逆变器）和控制回路组成。
电网侧面的变流器是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流。
负载侧面的变流器为逆变器。有规律的控制逆变器中主开关的通与断，可以得到任意频率的三相交流输出。
由于逆变器的负载为异步电动机，属于感性负载无论电动机处于电动或发电制动状态，其功率因数总不会为 1 。因此，在中间直流环节和电动机之间总会有无功功率的交换。这种无功能量要靠中间直流环节的储能元件电容器或电抗器来缓冲。所以又常称中间直流环节为中间直流储能环节。
制动单元会把多余再生功率消耗掉，以免直流回路电压的上升超过限值。
控制电路常由运算电路、检测电路、控制信号的输入、输出电路和驱动电路等构成，其主要任务是完成对逆变器的开关控制、对整流器的电压控制以及完成各种保护功能等。控制方法可以采用模拟控制或数字控制。本吊机的变频器用PLC控制，采用尽可能简单的硬件电路，主要靠软件来完成各种功能。
2 3000吨吊机优越的性能
3000吨吊机具有大的启动转矩、超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，在起动加速过程中可提供200%的额定转矩。起升机构在将重物吊离或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器能对这种冲击性负载进行平滑控制。运行平稳，起、制动平缓，运行中加、减速时整机振动和冲击小，安全性高，并且延长了起重机机械部分的寿命。
电机调速范围宽，负载变化时转速不会随之变化，可实现海工作业时的精确控制定位要求，比如在有风浪的情况下将平台精确定位安放到导管架上这样的施工。而且变频器实时监测电机的运行速度，当电机速度大于设定的最高允许速度或速度偏差值时，变频器发出故障报警并立即停止输出，机械制动器动作，使起重机处于安全状态，不会出现溜钩等危险状态。
由于采用编码器进行闭环控制，可以做到零转速满转矩输出的悬停控制。因此电机和大绞车的刹车打开之前，不会产生过大的电流，停车时也可以到零速时再关闭电机和大绞车的刹车，避免对机械的冲击。并且由于具有悬停功能，在频繁起停时，可以不关闭机械刹车，提高了工作效率。所以3000吨吊机的变幅、主钩、辅钩、小钩由电气制动完成，机械制动器在电动及绞车停转时动作，这样的话使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，所以机械制动器的制动片寿命大为延长，维护保养费用下降。
当变频器传动的起升机构向下运行或急减速时，异步电动机将处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。Rockwell Power Flex 700S变频系统在中间直流回路设置制动单元和电阻，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，避免直流回路电容电压升到保护极限值后变频器过压跳闸。
同时，吊机变频器具有强大的驱动执行软件DriveExcutive，方便工作人员通过人机界面对系统进行现场监控和功能修改。如图2所示，我们可以通过修改30和31号参数来改变主钩驱动电机正反转的最高转速、通过修改32和33号参数来改变主钩驱动电机的加减速时间，这在海上施工中非常重要，比如在天气恶劣的情况下需要精准对位，我们可以在允许的范围内通过修改这4个参数来提高电机的反应速度，但是这样对系统的冲击会比较大，而当海况较好或者不需要精准对位时，我们可以再将这4个参数恢复正常值以保护设备。如图3所示，我们可以在辅钩吊重时建立关键几个参数的趋势图，观察电机的转速、电流、直流母排的电压是否有异常，便于工程人员及时发现和解决问题。
图 2 主钩驱动电机主要参数
图 3 辅钩驱动电机吊重时主要参数趋势图
3 结论
3 000吨浮吊吊机的变频调速系统由电位器作为输入给定，通过变频调频调速电控设备、重量传感器、限位开关、电磁阀等配合使用来控制起重机交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调节。采用交流变频调速和可编程控制技术，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等功能，保证了吊机在海上施工时安全平稳的运行。
参考文献
[1] 张三豹.变频器在起重机中的应用[J]. 起重运输机械， 2001.
[2] Allen Bradley. Power Flex700S High Performance AC Drive[M]. Rockwell Automation，2007.
[3] 王卫锋.罗克韦尔自动化变频器应用[M].Rockwell Automation， 2008.
[4] 姚锡禄.变频器控制技术与应用[M].福建科学技术出版社， 2005.
[5] 张登山.西门子通用变频器应用实例[M].SIEMENS， 2002.
