桥式起重机变频调速控制系统的研究

何伟

（首都航天机械公司，北京100076）



桥式起重机变频调速控制系统的研究

何伟

（首都航天机械公司，北京100076）

摘要：本文简单对桥式起重机的发展历程进行介绍，并着重研究桥式起重机的传统控制系统和现代控制系统，分析基于PLC控制的桥式起重机变频调速控制体统的系统组成、各硬件系统的设计等，认为基于PLC控制系统的变频调速系统具有良好的可靠性和响应速度，应在钢铁、码头以及矿山行业中广泛推广应用。

关键词：桥式起重机控制系统变频调速PLC

1 概述

自公元前5000年至4000年的新石器时代，已经就有简易的起重运输装置的发明。在公元前2800年前，古埃及人就已经开始使用滚子和杠杆类的装置运送建筑金字塔所需要的重物。在商朝时代，我国劳动人员使用简单的起重装置来取水。进入工业革命后，尤其是在19世纪后期，由于铁路的出现，为了能够满足相对比较发达国家对港口运送大质量物资的要求，之前使用的人工驱动的起重机逐渐被机械化的轨道起重机所取代，从而使得运送重物的效率有了质的提高，而且还提高了生产过程中的安全系数［1］。

起重机作为工厂、码头以及货场等许多重要场合的关键设备之一，主要功能是实现物料的搬运，减轻工作人员的体力劳动，从而提高工作效率，达到安全生产的目的。作为国民经济各个部门中物质生产和流通的主要装卸机械，桥式起重机应得到广泛推广和应用，使得其在各场合的生产中能够充分发挥其作用。

2 桥式起重机的控制方式

经过数十年的发展，桥式起重机的控制方式也在不断进行改进，其控制方式的发展主要分为两个阶段：传统控制方式和现代控制方式［2］。

2.1 桥式起重机的传统控制方式

起重机的控制方式主要研究采用一定的调速装置对起重机实现调速的功能。传统的起重机采用调速的方式主要有以下几种：直接使用启动电动机进行调速；通过改变电机的极对数实现调速；在电动机的转子上串联电阻实现调速；采用涡流制动器实现调速；采用可控硅串实现调速；直流调速。

这几种传统的控制方式中，包括有级调速和无级调速两种调速方式。有级调速的调速范围小，只能保证起重机在额定的速度下实现调速，无法实现起重机的高速运行。

总之，桥式起重机采用有机调速存在以下几个主要问题：

（1）采用有级调速系统容易发生故障，而且由于控制档位较多，导致控制系统的电路比较复杂；

（2）起重机的调速系统在调速换挡过程中会有电流和转矩的冲击，尤其是在重载的情况下；

（3）在转子上串联大电阻导致起重机的机械特性较软，从而使得调速系统的速度较低，定位较困难；

（4）采用有级调速系统，在起重机重载的工作条件下，能量损耗较大。

2.2 桥式起重机现代控制方式

桥式起重机的现代控制方式主要包括普通控制系统、调压调速控制系统和变频调速控制系统三种［3］。

（1）普通控制系统。桥式起重机的普通控制系统指的是使用PLC系统对系统采集的信号进行分析后给出相应的输出量，进而控制继电器和接触器的动作，实现对电机正反转的控制。PLC系统包括中央处理模块、输出模块以及通讯模块等。采用PLC系统还可以在上位机上显示数据，实现对现场的监控。采用PLC控制系统可以大大节约系统的成本和空间，而且在一定程度上降低了起重机等设备的故障率。

（2）调压调速控制系统。调压调速控制系统指的是通过改变电机的三相异步绕线电动机的三相定子电压，实现电动机的调速。调压调速的关键在于选择一个装置实现对电压的改变。工程中常用的调压方式有串联饱和电抗器、晶闸管等，其中串联晶闸管的效果最佳。

调压调速控制系统的线路比较简单，而且这种控制系统容易实现自动控制。为了满足对速度的控制，调压调速控制系统一般都为闭环控制系统。控制系统需要对目前的速度进行检测后，将检测到的值反馈到控制装置中，进而改变晶闸管的导通角改变电动机的定子电压，从而使电动机的运行速度始终保持在给定信号所保持的速度上。

3 变频调速控制系统

由于电机转动速度与电源输入频率成正比例，因此可以通过改变电动机的工作频率达到改变电动机转速的目的。由于变频调速较其他的控制方式有特别突出的优势，故在起重机控制系统被广泛应用。

3.1 变频调速的基本原理

根据异步电机的转速公式：

式中，n为异步电动机的转速，单位为r/min；f为电动机定子的电源频率，单位为Hz，S为电动的转速滑差率，P为电机极对数。

通过式（1）可知，改变电动机电源的频率f即可实现对电动机转速n的控制。在电动机调速的过程中，还需要注意的要时刻保持每极的磁通量的恒定值不变。如果在工作过程中，电机每极的磁通太小，将会导致不能充分利用电机的磁芯而造成浪费；若电机每极的磁通较大，使得磁通饱和，将会导致励磁电流过大，最终导致电机的绕组过热而损坏电机［4］。变频调速在调速过程中需要考虑基频以下和基频以上两种调速情况。

3.2 变频调速系统简介

近年来，随着电子技术的不断发展，PLC可编程控制器在起重机变频调速系统中得以应用，从而使得其控制系统更加完美，而且也使起重机的传动系统发生了质的变化。随着PLC控制技术的不断改进和完善，变频调速系统将会在更广阔的市场中得以应用。

基于PLC的起重机变频调速系统由工业触摸屏、PLC、变频器、按钮、指示灯以及各种控制器和限位开关组成。在工作过程中，通过变频器实现对起重机中大车、小车以及主钩和副钩电机的驱动，进而完成对大车正向限位运动、反向限位运动以及正反方向的滑动控制。此外，该控制系统还能够保护系统的元器件。控制系统中的变频器采用直接的输入、输出控制。该输入输出信号是由PLC可编程控制器发出的，通过继电器直接向变频器发送操作指令。

系统中采用的变频器可以为电动机提供频率变化的电压，进而实现变频器对电动机的无级调速。控制系统中采用的变频器需要具有对电动机和自身保护的功能。如果在工作过程中出现过载、过热、过流接地等现象，使得设备在非正常情况下运行，那么系统将能够及时报警并停止，从而减少起重机的故障发生率，提高起重机工作的安全性能。控制系统中的变频器支持工业中常用的MODBUS通信接口，因此可以为变频器配置相应的通讯模块，进而可以实现PLC对整个系统的集中控制，包括设定变频器的运行参数、控制命令、监控变频器的工作状态以及能够及时对系统故障进行分析处理［5］。

该控制系统在控制室中装有可触摸监控系统。该监控系统一方面保证工作人员能够简单、方便地了解设备的运行状态，从而减少工作人员的失误；另一方面通过该监控系统还能够监控吊车的运行状态和设备发生的故障。

4 总结

本文主要对桥式起重机的发展进行了简要概述，对起重机的现代控制系统进行了着重分析，包括普通调速控制系统、调压调速控制系统和变频调速控制系统。针对变频调速控制系统，文章简单介绍了基于PLC控制的变频调速控制系统，主要包括PLC、变频器、触摸屏等，指出该控制系统具有良好的可靠性和快速性，提倡其应在电力、码头、钢铁、矿山等行业中大力推广应用。

参考文献

［1］邸书玉，迟环宇.基于PLC桥式起重机控制系统［J］.科技广场，2014，（8）：57-60.

［2］刘志刚，杨伯军.基于PLC的仓库桥式起重机变频控制系统［J］.机电工程，2013，（6）：725-728.

［3］王小勇，薛峰.基于量子平台状态机的桥式起重机控制系统软件设计［J］.电气自动化，2015，（2）：41-43.

［4］孙立宏.桥式起重机智能控制系统的设计与实现［J］.南方农机，2015，（2）：62-66.

［5］邓肖粤，汪雄海.桥式起重机变频调速及PLC控制的设计［J］.机电工程，2006，（9）：25-27.

Research on Frequency Conversion and Speed Control System of Bridge Crane

HE Wei
（Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076）

Abstract:This paper briefly introduces the development course of bridge crane, and focuses on the research of the traditional control system and modern control system of bridge crane. Based on PLC control of bridge crane frequency control system, including the system composition, the hardware system design are analyzed. It is concluded that the variable frequency speed control system based on PLC control system has good reliability and response speed, and it should be widely used in steel, wharf and mine industry.

Key words:bridge crane, control system, variable frequency speed regulation, PLC