1 引言

起重機(jī)的動力傳動具有其較特殊的一面，它具有大慣量、四象限運(yùn)行、恒力矩傳動的特點(diǎn)。用于水電廠機(jī)組安裝用的橋式起重機(jī)由于其工作環(huán)境和使用要求又具有以下特點(diǎn):工作強(qiáng)度不大（A3），但電氣工作周期較長，初期的使用環(huán)境較為惡劣、工作強(qiáng)度較大，起重量大，就位精度及低速穩(wěn)定性要求高。

傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法較多，但都存在調(diào)速范圍小、速度穩(wěn)定性差、無法長時間低速下降載荷等缺點(diǎn)。近年來，隨著電力電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，變頻調(diào)速在各種傳動場合的應(yīng)用成為一種趨勢。變頻調(diào)速作為一種調(diào)速方法20世紀(jì)初就已經(jīng)提出來，其發(fā)展一直十分迅速，它在節(jié)能，降低噪音，維護(hù)量小，自控性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)非常突出。但各類變頻器均有各自的特點(diǎn)和差異，本文就西門子變頻器在水電站橋式起重機(jī)中的應(yīng)用和選配作簡單介紹。

2 系統(tǒng)簡介

貴州烏江渡擴(kuò)機(jī)工程是我國西電東送工程首批啟動的項(xiàng)目之一，主廠房安裝有一臺2×320t橋式起重機(jī)（屬于特大型起重機(jī)），全變頻調(diào)速，雙鉤抬吊重約為 640t的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，雙鉤的抬吊誤差不超過1.5cm。每個主鉤額定起重量為320t，額定速度為0.15-1.5m/min，全行程高度28m。
根據(jù)現(xiàn)場使用要求，整機(jī)主、副鉤及大、小車共采用了西門子6SE70系列變頻器6臺（相應(yīng)配置的制動單元共11臺）和S7-300系列PLC一套。整機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由PLC進(jìn)行控制，起升變頻器采用模擬量給定和開關(guān)量控制相結(jié)合的方式，運(yùn)行機(jī)構(gòu)則由開關(guān)量信號進(jìn)行控制和給定。另外，起升機(jī)構(gòu)采用光電編碼器測速反饋和位置檢測，并在操作室設(shè)置有具有吊鉤高度、綜合狀態(tài)及故障狀態(tài)等綜合信息顯示的液晶顯示屏（TP37）。
3 系統(tǒng)主要器件選用

3.1 電動機(jī)的選用
起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了加速，電機(jī)需有較大的起動轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)容量需由負(fù)載功率Pj及加速功率Pa兩部分組成。電機(jī)容量，其中λ為電機(jī)平均起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。若使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下接近滿載運(yùn)行，且能承受電網(wǎng)電壓的波動，并通過1.1倍試驗(yàn)載荷，則要求電機(jī)的過載力矩倍數(shù)λM大于1.5倍，或適當(dāng)增加加速時間，以減小加速功率。對運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，其加減速時間可在3～6s之間進(jìn)行調(diào)整，這樣，機(jī)構(gòu)運(yùn)行將會比較平穩(wěn)。

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載特點(diǎn)是起動時間短、轉(zhuǎn)動慣量小。常規(guī)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)在選擇時考慮起重機(jī)并不總是在滿載狀態(tài)下工作，在選擇電動機(jī)容量時一般選擇電動機(jī)額定輸出功率略小于滿載提升所需功率。

以起升機(jī)構(gòu)為例，采用變頻調(diào)速以后電機(jī)的容量。其中，m為起重機(jī)額定提升的負(fù)載質(zhì)量，g為重力加速度，v為起升機(jī)構(gòu)的額定提升速度，η為機(jī)構(gòu)總效率。另外，由于起升機(jī)構(gòu)要能夠提升1.25倍試驗(yàn)載荷，而且要求能承受國標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)的電壓波動的影響，因此其最大轉(zhuǎn)矩值必須要大于2倍負(fù)載力矩。如果電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩值不能滿足1.25倍試驗(yàn)載荷的要求，則可以通過放大電機(jī)容量的方法來解決。
根據(jù)以上說明，主起升機(jī)構(gòu)電動機(jī)選用了西門子1PQ6310-4AA60，110kW電動機(jī)。
3.2 變頻器的選擇
以起升機(jī)構(gòu)為例，起升機(jī)構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩一般來說可為額定力矩值的1.3～1.6倍。考慮到電源電壓波動因素及需通過125%超載試驗(yàn)的要求等因素，其最大轉(zhuǎn)矩必須有1.8～2倍的負(fù)載力矩值，以確保其安全使用的要求。通常對普通鼠籠電機(jī)來講，等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過提高變頻器容量或同時提高變頻器和電機(jī)容量來獲得200%力矩值。若完全用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一檔的方法選擇變頻器的容量，則可能會造成不必要的放容量損失。

采用西門子6SE70系列工程型變頻器用于起升機(jī)構(gòu)后，其額定功率為，其中m1為1.25倍額定負(fù)載。由于此橋式起重機(jī)的起升高度為28m，起升速度為 0.15-1.5m/min，因此對于變頻器本身以90s為工作周期而言為長時工作制，而在變頻器最大允許長時制動功率，相當(dāng)于,其中η為機(jī)械傳動效率，η1為電機(jī)的效率，PCN為變頻器額定功率（kW）。
根據(jù)計算，主起升機(jī)構(gòu)選用6SE7032-6EG60，132kW變頻器。
對于運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，只要變頻器的額定電流大于電動機(jī)額定電流即可。

3.3 制動單元的選擇
以起升機(jī)構(gòu)為例，由于重物在下降過程中將產(chǎn)生大量的再生能量。對再生能量的處理方法有兩種，一種是用制動單元和制動電阻來吸收，另一種是通過設(shè)置在直流公共母線上的整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)。由于整流回饋裝置價格較貴，對電網(wǎng)的要求也較高，且本類起重機(jī)的總工作時間并不長。綜合性價比，在本設(shè)備上采用了制動單元加制動電阻的能耗制動方式。
制動單元就是在直流母線回路中加接一檢測直流母線電壓的IGBT管，一旦直流母線回路電壓超過一定的界限，該晶體管導(dǎo)通，并將過剩的電能通過與之相連接的制動電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。
制動單元應(yīng)根據(jù)圖1及表達(dá)式選擇:

圖1 速度曲線

制動功率式中，Pbr為系統(tǒng)的實(shí)際制動功率（kW）。
由于該類起重機(jī)運(yùn)行過程中起升機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行時間較長（長時工作制），即t大于90s（t=28×60/1.5），因此PW=Pbr，所以制動單元的實(shí)際長時制動功率P制動≥m1gv·η·η1，同時要滿足。
運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)按進(jìn)行計算選擇。
相應(yīng)的與其配套的制動電阻的功率應(yīng)與制動單元的實(shí)際功率P相同或略大。
根據(jù)以上說明，主起升機(jī)構(gòu)選用3臺6SE7031-6EB87-2DA0，100kW制動單元并聯(lián)運(yùn)行，為每臺制動單元配置27.5kW的制動電阻。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 雙鉤抬吊的控制
2×320t橋式起重機(jī)設(shè)有兩套小車和吊鉤的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置，每套可以單獨(dú)運(yùn)行也能同時運(yùn)行。同時運(yùn)行時即抬吊重物時由于重物（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子）的直徑及重量均很大，對兩個吊鉤在水平方向和垂直方向的相對誤差要求很高（允許的誤差值1-1.5cm）。

為了達(dá)到以上的要求和性能，在各機(jī)構(gòu)的電機(jī)軸上同軸聯(lián)接安裝有一個增量型光電編碼器，PLC的計數(shù)器模板（FM350-1）通過實(shí)時讀取各光電編碼器的數(shù)值并進(jìn)行比較計算，并根據(jù)差值的大小計算調(diào)整斜率，然后按照計算結(jié)果調(diào)整輸出給定值。由于光電編碼器是安裝在電機(jī)軸上的，相對的定位精度就很高，因此系統(tǒng)對雙鉤抬吊時誤差的理論控制值是2mm，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和使用的實(shí)際值約為5mm（機(jī)械制動存在差別）。
4.2 起升機(jī)構(gòu)制動器的控制

安裝用起重機(jī)通常起吊的重物都較為貴重，因此對起升機(jī)構(gòu)來講，能讓制動器安全可靠地工作無疑是最重要的。在西門子變頻器中均提供了一些可以編程的輸入輸出開關(guān)量以及模擬量，通過程序組合后可以得到一套完美的制動器控制功能。制動器的工藝圖可參考西門子《SIMOVENT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》的功能圖470。

其工作原理為:在變頻器開機(jī)以后，當(dāng)注入電機(jī)的電流大于等于設(shè)定的閾值以后，SET命令有效，制動器允許打開;當(dāng)停車命令或產(chǎn)生故障以后機(jī)構(gòu)（電機(jī)的）速度小于等于設(shè)定閾值后，RESET命令有效，制動器關(guān)閉;也可以直接發(fā)送關(guān)閉制動器命令，命令發(fā)送后RESET命令馬上有效，制動器關(guān)閉，其參數(shù)設(shè)置如附表所示。

變頻器在得到使能命令后即開始進(jìn)行勵磁運(yùn)行，根據(jù)變頻器自身優(yōu)化參數(shù)，從得到使能命令到達(dá)到電流閾值需要的時間將會大于2s，這將大大影響操作的實(shí)時性，將不能滿足精確就位的要求。通過現(xiàn)場調(diào)試、試驗(yàn)，應(yīng)將參數(shù)P602調(diào)整至0.5-0.75s之間，這樣才能滿足操作及就位的需要。

4.3 系統(tǒng)狀態(tài)及故障的綜合顯示和管理
為了使系統(tǒng)的維護(hù)更加簡單、快速，以及提高操作人員的直觀程度，在西門子S7-300系列PLC的強(qiáng)大功能和優(yōu)異性能的支持下，系統(tǒng)設(shè)置了對外部元器件的檢測和判斷。通過內(nèi)部排序和運(yùn)算，結(jié)合指針?biāo)饕蛿?shù)值轉(zhuǎn)換，在操作室設(shè)置了一臺TP37觸摸屏，用于系統(tǒng)的狀態(tài)及故障名稱（故障值）的綜合顯示，還包括了各操作指令及輸出執(zhí)行指令的實(shí)時狀態(tài)的顯示。這樣，不僅操作人員可以通過觸摸屏的顯示使操作更加準(zhǔn)確、有效，而且檢修、維護(hù)人員也可以從觸摸屏顯示的狀態(tài)和故障，通過查詢圖紙及故障表快速、準(zhǔn)確地排除故障。
4.4 系統(tǒng)控制邏輯
結(jié)合起重設(shè)備的特點(diǎn)，系統(tǒng)對控制回路和動力回路分開進(jìn)行控制。西門子6SE70系列變頻器具有獨(dú)特的OFF2（P555=22）的快停功能，切斷控制回路使OFF2有效，變頻器立即封鎖逆變器的輸出，同時機(jī)構(gòu)的制動器立即斷電抱閘（剎車）;當(dāng)出現(xiàn)控制回路切斷后機(jī)構(gòu)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊情況時，切斷系統(tǒng)的動力回路（主接觸器的余量較大），使所有裝置及制動器的動力電源斷開。這樣，就能在有特殊情況下保證設(shè)備及人體不受傷害，同時也能保證裝置不會損壞。

5 系統(tǒng)存在的問題及解決方法
結(jié)合工程實(shí)際，針對幾個經(jīng)常發(fā)生的故障進(jìn)行如下分析和解決。

5.1 制動單元結(jié)構(gòu)
我國幅員遼闊，各地的氣候類型差異較大，例如在西南、華南、華東地區(qū)的溫度、濕度很大，尤其在東北、華北等地區(qū)溫度很低。在一些電站工程中，我們選用了西門子的變頻器及相關(guān)設(shè)備。由于工程前期的環(huán)境極其惡劣，灰塵、濕度等指標(biāo)都嚴(yán)重超過西門子的規(guī)定，致使設(shè)備多次發(fā)生故障，其中絕大多數(shù)為制動單元的故障，故障現(xiàn)象為母線的膠木板和膠木座受潮引起母線短路（拉弧）。究其原因，首先是不能滿足西門子規(guī)定的使用要求，解決的方法只有改善設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境;其次，母線的膠木板和膠木座的材料為膠木板，易受潮，解決的方法是選用更好的絕緣材料;再次，制動單元在膠木板受潮后在結(jié)構(gòu)布置上極易短路，例如IGBT的輸入、輸出之間為膠木板直接相連，如果將此膠木板在之間截斷并保證一定的距離就可以達(dá)到阻斷短路形成的通道，防止故障的發(fā)生;最后，制動單元的內(nèi)部布置非常緊湊，如果將其布置形式改變，加大高電壓部分的距離，切斷短路通道，這樣會更加適應(yīng)各種工況。
5.2 制動單元控制
西門子規(guī)定，制動單元的選配必須和所配的變頻器之間滿足一定的要求，具體為P制動≤0.6PCN，不同容量等級的制動單元同時使用時也有規(guī)定（相鄰容量等級才能同時使用），且一臺變頻器配置有多臺制動單元時制動單元是同時并聯(lián)接在直流母線上的。由于制動單元的容量等級較為固定、有限，有時會出現(xiàn)與變頻器較難匹配的情況，只能通過放大變頻器容量等辦法加已解決;而且更為嚴(yán)重的是當(dāng)制動單元配置不當(dāng)時會出現(xiàn)裝置炸機(jī)等故障。
如果在制動單元上設(shè)置適當(dāng)?shù)倪x擇開關(guān)（或跳線選擇器）及改變接線方法，增加如主從控制的功能后就可以較為方便地配置所需制動單元，而且可以防止諸如炸機(jī)等故障現(xiàn)象的發(fā)生。

5.3 光電編碼器的選型
系統(tǒng)配置的PLC的計數(shù)器模板（FM350-1）加增量型光電編碼器的形式是較為傳統(tǒng)的配置，由于光電編碼器與計數(shù)器模板之間的距離較遠(yuǎn)，運(yùn)行過程中會出現(xiàn)計數(shù)器模板讀數(shù)不準(zhǔn)（光電編碼器脈沖丟失、干擾等現(xiàn)象）的情況。為了改善這一狀況，首先采用屏蔽雙絞電纜并且屏蔽層有良好的接地;其次，盡量取消屏蔽電纜中間的轉(zhuǎn)接次數(shù)，使其能夠形成一個獨(dú)立完整的屏蔽效果。

如今，西門子傳動控制系統(tǒng)具有了強(qiáng)大、簡潔的DP通訊，具有DP通訊口的絕對值編碼器也應(yīng)運(yùn)而生，選擇DP通訊加帶DP通訊口的絕對值編碼器的形式將會是一種簡單實(shí)用、準(zhǔn)確可靠的配制形式，必將得到廣泛的應(yīng)用。
6 結(jié)束語
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器及PLC本身的特性、性能及功能日益完善，如何更恰當(dāng)、更合理地選擇變頻器及PLC是驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵所在，如何利用變頻器及PLC本身的功能使系統(tǒng)設(shè)計更加符合使用要求是設(shè)計發(fā)展的方向。
近年來按照以上方法及應(yīng)用配置的起重機(jī)，包括 2×350t、2×300t、2×160t、2×80t、125/32t、100/20t、80/20t、 50/10t等多個規(guī)格的多臺設(shè)備目前已被全國許多電站（廠）采用，運(yùn)行狀況均較好。這些電站（廠）從南到北、從東到西坐落在全國各地，我們提供的設(shè)備適應(yīng)了各種氣候條件，并逐步在新聞印刷、造船等其它行業(yè)得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
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