無觸點控制系統(tǒng)在起重機上的應用

董 彬 李長江 孫 宇 謝曉航

（山東省特種設備協(xié)會 濟南 250100）

1 起重機無觸點控制在起重電磁鐵方面的應用

1.1 采用直流接觸器的傳統(tǒng)電氣控制裝置存在的問題

起重電磁鐵作為磁性材料的搬運工具，在機械制造、冶金等領域發(fā)揮著重要的作用。但因電磁鐵自身是一種直流大電感性負載器件，傳統(tǒng)電氣控制裝置通常采用直流接觸器控制其電路的通斷工作和電磁鐵的正反向勵磁，在使用過程中存在以下問題：

1）起重電磁斷電瞬間由于存在剩磁能及磁性材料特有的磁滯現(xiàn)象導致放料時間長、放料不干脆；

2）直流接觸器由于切換頻繁會出現(xiàn)電火花，容易引起接觸器觸點粘連、燒灼而引發(fā)短路事故，存在安全隱患；

3）運行穩(wěn)定性差、能耗大、維護費用高等。

1.2 以晶閘管設計無觸點控制裝置示例分析

晶閘管以其優(yōu)異可控整流、逆變、調(diào)壓、變頻、無觸點功率靜態(tài)開關的功能，為起重電磁鐵無觸點控制裝置提供了研究方向。

比如，宋恩峰等人設計了一種以晶閘管為整流元件、主回路采用雙半波整流外加續(xù)流回路的起重電磁鐵無觸點控制裝置[1]，電路如圖1所示。該裝置利用了晶閘管的功能實現(xiàn)了無觸點電路，同時也實現(xiàn)了電源整流和控制裝置的功能。無觸點電路的實現(xiàn)，省去了直流接觸器，使該控制裝置大大降低制造使用成本、維修更加方便，同時延長了使用壽命。在該電路中，N1、N2作為觸發(fā)裝置起到關鍵作用，可以通過調(diào)整導通角控制觸發(fā)晶閘管V1～V4，兼具晶閘管保護功能，同時可調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置內(nèi)部的旋鈕控制勵磁、去磁電壓高低，進而改變起重電磁鐵吸力大小、去磁時間，擴大了適用場所和起重電磁鐵的直流電壓適用范圍（任意直流電壓110～220 V）。此裝置已在大連華能電廠獲得良好應用效果。

圖1 宋恩峰等設計的起重電磁鐵無觸點控制裝置電路圖

梁勝喜也開發(fā)了一種起重電磁鐵整流無觸點電氣控制設備[2]，控制電路如圖2所示。其電路采用2組反向并聯(lián)晶閘管全控橋方式；通過脈沖變壓器觸發(fā)晶閘管全控橋U1整流（0°≤移相觸發(fā)角α≤90°)，提供起重電磁鐵正向勵磁電流吸料；放料時觸發(fā)三相橋式全控整流U1進入有源逆變狀態(tài)，將起重電磁鐵剩磁能回饋電網(wǎng)，另一組晶閘管橋式整流電路U2觸發(fā)整流對電磁鐵反向消磁，抵抗其剩磁，使其放料快速干脆。本實用新型專利無機械觸點，使用過程中無電火花、無噪音，延長了使用壽命。

圖2 梁勝喜開發(fā)的一種起重電磁鐵整流無觸點電氣控制設備電路圖

圖1是晶閘管半波可控整流電路典型應用，當其帶大電感負載時，不管如何調(diào)節(jié)晶閘管控制角，輸出的直流平均電壓和電流均很小，如不采取措施，電路就無法滿足輸出一定直流平均電壓的要求；為了解決此問題，可以在電路的負載兩端并聯(lián)一個整流二極管，即續(xù)流二極管。圖2是晶閘管三相全控橋式整流電路在大功率直流電源中的典型應用，其關鍵是準確穩(wěn)定地控制晶閘管的導通角。

2 無觸點控制在橋式起重機調(diào)速方面的應用

2.1 調(diào)速裝置應用過程中存在的問題

調(diào)速裝置是起重機運行中極為重要的部件之一，目前大多數(shù)橋式起重機采用改變繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子的串聯(lián)電阻來完成調(diào)速控制，調(diào)速裝置主要由調(diào)速電阻、切換電阻交流接觸器、延時切換時間繼電器、凸輪控制器等組成，使用過程中主要存在以下問題：

1）啟停動作頻繁，接觸器線圈因其頻繁切換大電流，觸頭易出現(xiàn)燒灼、粘接現(xiàn)象而引發(fā)短路事故，并且接觸器線圈易損壞；

2）由于其振動強度大，繼電器或接觸器機械部分損壞率高；

3）整套調(diào)速裝置可動部件多，容易出現(xiàn)因機械故障導致的失靈、卡死現(xiàn)象；

4）起重機能耗大等。

2.2 無觸點開關元件（晶閘管）技術研究

傳統(tǒng)的調(diào)速裝置以交流接觸器、繼電器等元器件最為常用，但是往往會出現(xiàn)以上問題，因此開展無觸點開關的調(diào)速裝置也成為研究的方向之一，而晶閘管作為一種大功率電器元件，可以作為調(diào)速裝置的主控制切換單元，可有效代替?zhèn)鹘y(tǒng)模式，具有以下優(yōu)點：

1）可實現(xiàn)小功率控制大功率，且功率放大倍數(shù)可至幾十萬倍；

2）微秒級內(nèi)可實現(xiàn)開通、關斷，反應極快，效率高；

3）無觸點運行，無火花、無噪音；

4）體積小、效率高、壽命長且成本低等，在自動控制系統(tǒng)中，可作為大功率驅(qū)動器件，實現(xiàn)用小功率控件控制大功率設備。

它在交直流電機調(diào)速系統(tǒng)、調(diào)功系統(tǒng)及隨動系統(tǒng)中得到了廣泛應用，因此，晶閘管作為起重機無觸點控制的核心器件在橋式起重機調(diào)速裝置方面起到關鍵作用。

比如，王志彬等人利用晶閘管小電流控制大電流的優(yōu)點，將單向晶閘管應用于160 t冶金起重機主起升機構(gòu)調(diào)速控制系統(tǒng)[3]，功率放大倍數(shù)提高到了數(shù)十萬倍，實現(xiàn)了起重機的無觸點控制，運行中無電火花、無噪音，實現(xiàn)了運行過程中的安全性環(huán)保；在微秒級內(nèi)可以開通、關斷，實現(xiàn)了快速通斷；故障率低，維護簡單，成本低，能夠快速完成檢修、故障驗證修理等工作，保證了冶煉行業(yè)安全生產(chǎn)過程中的安全和健康。

又如，C鋼鐵企業(yè)280 t鑄造起重機起升機構(gòu)通過調(diào)壓和正反向接觸器切換完成三相繞線式電動機的調(diào)速，容易出現(xiàn)接觸器觸點灼燒粘連、機械性卡阻等問題。尤其會出現(xiàn)由于主起升機構(gòu)換向接觸器輔助觸點損壞導致的“非指令”動作現(xiàn)象，即該起重機主起升機構(gòu)由重載高速擋位下降調(diào)至低速擋位下降時，下降速度不降反增、電動機出現(xiàn)異常響聲，并且其控制程序中也未設置相應保護功能。通過模擬分析，劉躍強論證后將接觸器換向升級為晶閘管換向，從根本上杜絕了“非指令”動作現(xiàn)象的發(fā)生[4]。

2.3 雙向晶閘管作為調(diào)速裝置的主控制切換單元示例分析

廖志雄等人研發(fā)了一種適應惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調(diào)速裝置[5]，目的是克服傳統(tǒng)調(diào)速模式的問題，降低了調(diào)速成本和提高了調(diào)速裝置的可靠性，也同時減少人為操作不當引發(fā)的故障及方便檢修和檢驗作業(yè)，其設計的電氣控制主回路原理圖和控制回路如圖3所示。

圖3 廖志雄等研發(fā)的一種適應惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調(diào)速裝置電氣控制主回路原理圖和控制回路

該裝置以雙向晶閘管為橋式起重機調(diào)速裝置的主控制切換單元，代替接觸器，充分利用晶閘管無觸點開關技術、無保護元件的自動限制非正常電流技術及無觸點自動延時換擋強觸發(fā)技術。其中，通過控制晶閘管的電壓變化率和上升電流，實現(xiàn)無自動開關、無熔斷器、無電抗器線圈、無電容器等保護元件的自動限制非正常電流功能，解決了頻繁操作交流接觸器引起的弧光閃爍、觸點拉弧燒傷、電氣短路問題，以及在工作時經(jīng)常發(fā)生交流接觸器主觸點接觸不良，引起轉(zhuǎn)子電阻不平衡，電動機振動大、發(fā)熱嚴重，電機燒壞，備品備件消耗量大的問題，有效避免了接觸器鐵芯諸如結(jié)合面臟污、磁滯、噪音大、斷開動作遲緩和接觸器線圈燒損、電阻箱發(fā)熱等問題。該裝置可使橋式起重機在高溫、多粉塵、腐蝕等惡劣環(huán)境中可靠安全運行，同時實現(xiàn)故障點可視化設計，定期檢驗更方便，大大提高了設備檢驗、檢修的安全系數(shù)。

此外，雙向晶閘管在工作時由于在正反2個方向的觸發(fā)靈敏度不同，可能會出現(xiàn)正負電流波形不對稱和直流分量等問題，廖志雄等人研發(fā)的調(diào)速裝置利用了強觸發(fā)技術[5]，有效解決了對雙向晶閘管難觸發(fā)問題。呂琳等人在研制的全數(shù)字無觸點起重設備控制裝置中采用了獨特的觸發(fā)電路來解決問題[6]。

3 結(jié)束語

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，無觸點電控系統(tǒng)越來越多地應用到起重機設備上，可有效解決傳統(tǒng)起重電磁鐵和調(diào)速裝置的故障率高、安全隱患大等問題。起重機安全管理人員及作業(yè)人員需要在運行中對數(shù)據(jù)進行收集積累，同時設計制造人員也要在此基礎上進行分析對比改進，在實踐中不斷修正，進而提升整個起重行業(yè)的技術水平。