冶金起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)備用電氣控制系統(tǒng)改進(jìn)

王劍超

（太原市晉陽(yáng)湖管理處，太原 030021）

0 引言

冶金起重機(jī)吊運(yùn)的是高溫液態(tài)金屬，當(dāng)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障不能工作時(shí)，液態(tài)金屬將凝固［1］，給設(shè)備帶來(lái)?yè)p失的同時(shí)，也極大降低生產(chǎn)效率。因此，冶金起重機(jī)在要求高安全性的同時(shí)，也要求高可靠性。這就要求電氣控制系統(tǒng)在失效情況下，要有另外一套備用系統(tǒng)（或稱(chēng)為冗余系統(tǒng)）能夠快速可靠地投入，以使起重機(jī)能夠完成當(dāng)次工作循環(huán)。

現(xiàn)在很多大中型冶金起重機(jī)的電氣主回路使用定子調(diào)壓［2］方式作為各機(jī)構(gòu)的主回路。定子調(diào)壓系統(tǒng)控制繞線電機(jī)具有電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快、惡劣環(huán)境適應(yīng)性高、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單易維護(hù)等特點(diǎn)。工業(yè)上，常用另一套完整的調(diào)壓裝置或者利用調(diào)壓電阻實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子切電阻控制方式作為備用系統(tǒng)，如圖1 ～2所示。

圖1 使用調(diào)壓系統(tǒng)作為備用回路的單線圖

圖2 使用轉(zhuǎn)子切電阻方式作為備用回路的單線圖

使用調(diào)壓系統(tǒng)作為備用回路，需要加裝與原系統(tǒng)相同的電氣控制設(shè)備，其中整流調(diào)壓裝置的價(jià)格昂貴，使用這樣的備用系統(tǒng)，會(huì)使用戶(hù)的一次性投入成本極大增加。同時(shí)，利用相同的系統(tǒng)作為主、備用回路，使得遇到相似的故障時(shí)備用系統(tǒng)重復(fù)故障的概率增加。利用轉(zhuǎn)子切電阻系統(tǒng)作為備用系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法是下降時(shí)不設(shè)置低速擋，利用主回路的轉(zhuǎn)子調(diào)壓電阻［3］，此時(shí)電機(jī)運(yùn)行在回饋制動(dòng)狀態(tài)，重物在下降時(shí)電機(jī)處于超同步運(yùn)行狀態(tài)。沒(méi)有低速擋位會(huì)導(dǎo)致高速下降時(shí)啟停起升機(jī)構(gòu)對(duì)負(fù)載和起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊。冶金起重機(jī)在鋼包滿載運(yùn)行時(shí)，沒(méi)有低速調(diào)整擋位會(huì)使操作者感到不便，不能準(zhǔn)確定位；同時(shí)滿載鋼包突然加減速也會(huì)使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)性極大增加；再者，由于煉鋼現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)繁忙、工況復(fù)雜、突發(fā)事件多，經(jīng)常遇到在設(shè)備應(yīng)急使用后還需要再次滿負(fù)荷重復(fù)使用設(shè)備的情況，因此要求備用系統(tǒng)具有多次額外的應(yīng)急使用能力。

本文所述備用方案在通用設(shè)計(jì)利用調(diào)壓電阻實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速的基礎(chǔ)上，再增加一段電阻，通過(guò)改進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線，增加一個(gè)下降低速擋，實(shí)現(xiàn)設(shè)備滿載時(shí)的要求。增加了下降低速擋，能夠使操作者在短時(shí)間內(nèi)對(duì)起升機(jī)構(gòu)進(jìn)行低速調(diào)整，在實(shí)現(xiàn)負(fù)載精確定位的同時(shí)，能夠有效減少機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊，給操作者帶來(lái)極大的便利，同時(shí)增加了安全性。

1 起升機(jī)構(gòu)機(jī)械電氣結(jié)構(gòu)

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

本文案例的起升機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3 所示。減速機(jī)使用的是棘輪棘爪減速機(jī)［4］。

圖3 起升機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 起升機(jī)構(gòu)備用電氣回路結(jié)構(gòu)

本例中，起升機(jī)構(gòu)改進(jìn)的備用電氣傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。CB1為斷路器；Q2為隔離開(kāi)關(guān)；KM1、KM2 分別為機(jī)械互鎖的主接觸器；KM11、KM12、KM13、KM14 分別為轉(zhuǎn)子接觸器；R1、R2、R3、R4、R5分別為接入轉(zhuǎn)子回路的電阻，EP1為中性點(diǎn)。

圖4 起升機(jī)構(gòu)的改進(jìn)備用電氣回路

2 備用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)方案

2.1 備用系統(tǒng)上升時(shí)設(shè)計(jì)方案

備用回路機(jī)構(gòu)上升時(shí)分為3 擋，調(diào)速曲線如圖5 所示。運(yùn)行時(shí)，定子側(cè)閉合K01 接觸器，轉(zhuǎn)子側(cè)分別閉合K14、K13、K12、K11接觸器，分別實(shí)現(xiàn)1～4 擋調(diào)速。電機(jī)在任意一擋上可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。點(diǎn)A 為起升電機(jī)在滿載時(shí)高速穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。

圖5 上升時(shí)備用系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線

2.2 備用系統(tǒng)下降時(shí)設(shè)計(jì)方案

備用系統(tǒng)下降時(shí)設(shè)計(jì)為兩擋，一擋是低速調(diào)整擋位；二擋是高速下降擋位。

2.2.1 下降高速檔設(shè)計(jì)方案

高速下降時(shí)反向接觸器KM2吸合，電機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)。為了保證電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速盡可能低，要求接入電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻盡可能小。因此在高速檔運(yùn)行過(guò)程中，要求圖4 中吸合KM11接觸器，只串入R1電阻，起到平衡三相電阻、穩(wěn)定電機(jī)的超同步運(yùn)行作用。下降高速擋的電機(jī)機(jī)械特性曲線如圖6所示。滿載下降時(shí)電機(jī)的負(fù)載特性曲線和高速下降擋電機(jī)機(jī)械特性曲線交匯于點(diǎn)B，說(shuō)明穩(wěn)態(tài)時(shí)電機(jī)運(yùn)行于點(diǎn)B，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值為1.06。

圖6 備用系統(tǒng)下降高速的機(jī)械特性曲線

圖7 備用系統(tǒng)下降一擋的機(jī)械特性曲線

2.2.2 下降低速擋設(shè)計(jì)方案

下降低速擋是新增加的擋位，該擋位的設(shè)計(jì)要求如下。

（1）下降低速擋要求滿載時(shí)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行速度盡可能低，使?jié)M載時(shí)調(diào)速效果明顯。

（2）考慮備用系統(tǒng)時(shí)，下降一擋應(yīng)用于盡可能低重量的負(fù)載，以使下降低速擋的應(yīng)用范圍盡可能寬。這與第一條是相互制約的，要求設(shè)計(jì)者在根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況下，設(shè)計(jì)電阻時(shí)要有所平衡。

（3）在高低擋位切換時(shí)，動(dòng)態(tài)切換轉(zhuǎn)矩必須小于2.5 倍的電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，以免動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩超過(guò)電機(jī)破斷轉(zhuǎn)矩，造成電機(jī)失速。

（4）設(shè)計(jì)人員在控制系統(tǒng)達(dá)到性能時(shí)要考慮整臺(tái)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、容量、占地等現(xiàn)場(chǎng)綜合情況?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計(jì)不是線性的，需要綜合考慮各方面要求，最終的結(jié)果是一個(gè)相互妥協(xié)的過(guò)程。

如圖7所示，點(diǎn)C是下降一擋曲線和滿載下降曲線的交叉點(diǎn)，代表滿載時(shí)下降一擋穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。點(diǎn)D是下降一擋和橫軸的交叉點(diǎn)，代表電機(jī)轉(zhuǎn)速為0（電機(jī)堵轉(zhuǎn)）時(shí)的力矩標(biāo)幺值。

根據(jù)第一條設(shè)計(jì)要求，要求點(diǎn)C的縱坐標(biāo)盡可能小，這樣會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)D 的橫坐標(biāo)變大，電機(jī)的機(jī)械特性曲線也就越硬。點(diǎn)D的橫坐標(biāo)越大，意味著下降一擋適用的負(fù)載范圍越小，這有悖于第二條設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)場(chǎng)起重設(shè)備起吊的物品種類(lèi)很多，重量也不盡相同，所以對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)，點(diǎn)D 橫坐標(biāo)越小，日常工作中的便捷性越大。綜合考慮第一點(diǎn)和第二點(diǎn)，選擇如圖7所示的下降一擋機(jī)械特性曲線，即下降一擋的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值為0.38。備用下降一擋適用于大于38%的電機(jī)額定負(fù)載，同時(shí)在起升機(jī)構(gòu)滿載時(shí)，下降一擋的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為71%的電機(jī)同步轉(zhuǎn)速。選擇這條曲線，能夠在電機(jī)滿載時(shí)，提供一個(gè)有效的低速擋位，同時(shí)，在起吊重量超過(guò)38%的電機(jī)額定起升重量的情況下，下降一擋都能夠正常使用。

設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮其他因素，點(diǎn)D 橫坐標(biāo)的絕對(duì)值選擇過(guò)小，除了滿載時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)變得很大以外，還會(huì)增大電阻值R5。越大功率的電機(jī)，轉(zhuǎn)子的電流越大，這就要求設(shè)計(jì)時(shí)選用具有高通電持續(xù)率的電阻片，高通電持續(xù)率的電阻片每片電阻的阻值小。R5阻值變大，同時(shí)每片電阻阻值變小，意味著總的電阻片數(shù)量增加。電阻片的增加意味著設(shè)備空間增加和成本增加。R5是本設(shè)計(jì)方案中新加的電阻，綜合考慮上述因素，選定R5的通電持續(xù)率為17.5%，在點(diǎn)D 橫坐標(biāo)為0.38時(shí)，R5使用的電阻片數(shù)量已經(jīng)占原電阻片數(shù)量的一半以上。下降一擋時(shí)，電機(jī)處于倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)［5］。為了實(shí)現(xiàn)低速檔的切換，要求電機(jī)運(yùn)行時(shí)KM1吸合，其余接觸器不吸合。

3 主電路電阻器參數(shù)計(jì)算

3.1 R1～R4 電阻計(jì)算

根據(jù)以上所述，R1、R2、R3、R4電阻使用原來(lái)相應(yīng)調(diào)壓系統(tǒng)的電阻參數(shù)，分別為詳見(jiàn)調(diào)壓系統(tǒng)的參數(shù)手冊(cè)［6］。

3.2 R5 電阻計(jì)算

R5電阻計(jì)算理論來(lái)源于文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［8］，需要根據(jù)圖7計(jì)算。從圖7中得出，設(shè)計(jì)人員選定的點(diǎn)D橫坐標(biāo)為0.38，點(diǎn)D即堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩標(biāo)幺值TN*。根據(jù)式（1）可得R*＝2.63。

R*為轉(zhuǎn)子串入總電阻值標(biāo)幺值：

由式（2）可得：

4 程序控制流程圖

備用回路的PLC程序控制流程如圖8所示。

圖8 備用系統(tǒng)PLC程序控制流程圖

5 備用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

備用系統(tǒng)的硬件現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖9 ～10所示。

圖9 備用回路定子側(cè)控制屏

圖10 備用回路轉(zhuǎn)子側(cè)控制屏

6 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案解決了傳統(tǒng)備用回路中下降沒(méi)有低速擋位的問(wèn)題。通過(guò)使用改進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，用戶(hù)在使用下降低速擋時(shí)能夠?qū)χ匚镞M(jìn)行準(zhǔn)確定位，同時(shí)減少重物高速運(yùn)行突然制動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了經(jīng)濟(jì)型，為用戶(hù)減少了一次性成本投入。