大吨位高速比新型起重机械电气系统的研制

摘 要: 本文主要介绍起重机械实现大吨位高速比存在的技术难题，针对这些难题进行了分析，提出了解决这些疑难问题的方法。其研制成果已成功应用于缅甸耶涯250t门式起重机电气系统中,收到了良好的效果。该项目已立项为2008年浙江省重大科技专项。它的研制成功，将为提高我国自主创新能力，加快起重机械电气技术的发展起到抛砖引玉的作用。

1 引言

　　由于工业生产规模不断扩大，生产效益日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型高速起重机的需求量不断增长，起重量要求越来越大，工作速度要求越来越高。同时要求起重机械重载时能平稳启动不溜钩，且能长期低速运行（速度达0.05m/min），准确对位 ;轻载时能高速运行，提高工效。

　　我国目前的起重机械在关键性的核心技术方面还不能满足这种大吨位高速比的要求，只能从国外进口。这些未解决的关键技术主要有以下几方面：

　　1）国产变频电机在起升位能性负载上满足不了高速比（>1:20）的要求，易产生溜钩现象。

　　2）变频器输出的低频脉动难以实现位能负载低频稳定运行。

　　3）由于现场及制造条件的限制，起重机械向大吨位方向发展存在一定的瓶颈现象。

　　要研制这种大吨位高速比新型起重机械，就需解决以上三方面的关键技术问题。一旦研制成功并推广应用，实现产业化，不但大大提高我国起重机械产品的技术水平，实现可观的经济效益，而且为变频技术在起重机械领域的应用打开一个新的局面，真正实现跨越式发展，摆脱大吨位高速比起重机械长期依赖从国外进口的被动局面。

2 高调速比新型变频电机的研制

　　目前普通变频电机负载特性如右图1a所示，其基频为50Hz,5～50Hz为恒转矩调速，电机输出额定转矩，50～100Hz为恒功率调速。在5Hz以下，电机输出转矩大大低于额定转矩，因而电机难以实现重载启动，易发生溜钩现象，不能长期低频稳定运行。在50～100Hz恒功率段，允许负载转矩反时性下降，往往会出现空中起吊加 速力矩不够的现象。为此，要实现高速比（>1：20）,必须研制新型变频电机，使其达到如图1b所示的负载特性。为此将采取如下措施：

　　1）定子绕组设计时采用多槽和短距绕组，提高基波绕组系数，降低高次谐波（尤其是5次、7次谐波）。尽可能减小定子的集肤效应，并采用多根互相绝缘的导体并联。

　　2）为了减小低频运行转矩脉动幅值，设计转子绕组时适当增加转子绕组的电感L,减小转子绕组电阻R2,以增大转子绕组的时间常数。

　　3）转子槽形设计成宽而浅的转子槽形，以降低转子损耗和削弱谐波集肤效应的影响，降低高次谐波产生的附加损耗，同时减少转子漏抗，抑制高次谐波电压。

　　4）为了避免由于扭斜漏磁通产生的谐波损耗，转子采用直槽。

　　5）电机的硅钢片采用优质的冷轧无取向硅钢片。

　　6）电磁线采用H级绝缘电磁线。

　　7）为满足低频长期稳定运行的工况，需加大强制性风冷的排风量。

　　同时开发变频控制技术，使变频器输出电压在基频点至未饱和状态，以提高高速运行的额定转矩，从而保证电机在高速时具有足够的加速力矩，使电机在1Hz就能输出额定转矩，并能稳定运行于2～100Hz，从而使调速比达到1:50。

3 采取措施解决低频脉动及给定干扰问题

　　解决起升机构在5Hz以下低频转矩脉动问题，除改变电机的转子绕组以外，起升变频传动系统需要建立闭环控制，同时增大闭环编码器的检测频率。为确保变频器给定不受干扰的影响，变频输入采用数字量输入，通过变频器内部数字量接口模块DI-16H,自动转变成模拟量，以解决变频器输出转矩低频脉动及给定输入不稳定的问题。

4 通过MPI网络来解决大吨位问题

　　随着起重量的不断增大，电机、制动器、减速器等设备的容量相应要增大，但不可能无限制地增大，同时，又受到现场轮压、轨距等多方面的限制，实现大吨位确实存在一定的难度。为此。开发了两台独立起重机通过MPI网络实现抬吊的功能（如右图示），使整体起重量增加了一倍以上，为解决大吨位问题找到了一条捷径。要实现MPI网络功能，在硬件设计上，两台起重机电控系统均采用西门子S7-300PLC，并通过适配器和PROFIBUS-DP通讯电缆将两台起重机PLC上的MPI口相连。在软件设计上，将各机构的控制及状态字节放在DB3数据库中，再通过MPI网的单边编程通信方式，即客户机与服务器的访问模式。通过调用SFC67（X-GET）和SFC68（X-PUT）,将它车的DB3数据区中的数据读回并存放到本车的DB4数据区中，同时将本车的DB3数据区中的数据放至它车的DB4数据区中，以实现两台起重机的数据交换。在操作上，两台起重机抬吊时，首先将两台起重机通过机械拉杆锁定位置。当并车运行时，首先通过联动台转换开关确定哪台车为主车或副车，再在主车联动台上另外一个转换选择开关选出“本车”、“并车”、“它车”，这样就可以在主车上同时或单独操作2台起重机的主、副起升和大、小车运行机构，达到并车同步和单独调整使用的目的。2台起重机中的任意一台都可作为主车，主车上可以完成本车操作、它车操作和并车操作。

5 随动跟踪系统的研制

　　为实现两台起重机并车抬吊功能，开发了一套双吊点随动跟踪系统，即在两台起重机的起升卷筒上分别安装了高度检测绝对值编码器AVM58，通过其SSI口将检测的高度信号传至PLC位置检测模块SM338。抬吊时，保持主车起升速度不变，它车速度根据两吊点位置差，超过给定的偏差范围作相应的调整，以便两吊点的高度差始终控制在一定范围内。为提高其控制精度，起升系统高速轴上安装了增量型编码器，由此组成了一个闭环系统，其速度静态精度可达0.02%。

6 研制成果的应用

如右图所示，以我单位签订合同的缅甸耶涯水电站两台250（120）t/40（8）t电站厂房门机（要求抬吊）为依托工程，从而完成大吨位高速比新型起重机械的研制工作。

　　缅甸耶涯水电站为东南亚最大的水电站，发电厂房内将安装4台195MW的立式混流式发电机组。担任其吊装任务的是两台跨度为25.5m的250（120）t/40（8）t电站单小车门式起重机，吊运460t发电机转子时将用500t平衡梁由两台门机抬吊完成。

　　主起升机构额定起重量为250/120t，起升速度为0.05～0.5/0.15～1.5m/min,

　　调速范围为1:30,为此开发新型变频电机YZPTFM315M2-8CTH S3 40% 45KW。通过试验新型变频电机具有如下特性：

　　1）基频: 30HZ（45KW 330V 436 r/min 988N.m）

　　2）最低频率: 3HZ时, 稳定输出转矩为1000N.m，大于额定负载转矩，同时输出的最大启动转矩与额定负载转矩（250t）之比为3。

　　3）最高频率：90HZ时, 稳定输出转矩为325N.m，大于额定负载转矩，同时输出的最大启动转矩与额定负载转矩（120t）之比为2。

　　以上参数能满足低频稳定运行，高速运行的要求。同时采用了安川变频器CIMR-G7A4075,闭环控制。

　　副起升机构额定起重量为40/8t，起升速度为0.3～3/1.5～15m/min,调速范围为1:50，为此开发新型变频电机YZPTFM315M1-8CTH S3 40% 30KW。通过试验新型变频电机具有如下特性：

　　1）基频: 20HZ（30KW 265V 287r/min 990N.m）

　　2）最低频率: 2HZ时, 稳定输出转矩为1000N.m，大于额定负载转矩，同时输出的最大启动转矩与额定负载转矩（40t）之比为1.8。

　　3）最高频率：100HZ时, 稳定输出转矩为195N.m，大于额定负载转矩，同时输出的最大启动转矩与额定负载转矩（8t）之比为2.1。

　　以上参数能满足低频稳定运行，高速运行的要求。同时采用了安川变频器CIMR-G7A4075,闭环控制。

　　两门机电气系统通过软硬件的配置与开发，组成了一个MPI网络实时控制系统，对低频脉动、防溜钩、运行同步的方面采取相应的措施。并进行了优化设计及模拟性试验。

7 结束语

　　两门机电气系统经现场试验：主起升并车抬吊500t，启制动平稳，不溜钩，其同步偏差控制在1%以内。副起升机构能在1:50调速范围内稳定运行，低速运行稳定，实现了起重机械大吨位高速比的要求，深受用户好评。同时人机界面检测系统和地面遥控操作系统的加入，更进一步提高了整机的智能化水平，为国内起重机械电气系统向更优更新发展奠定了基础。同时该研制成果可广泛运用于冶金、建筑、港口、核电等领域起重机械中，前景十分广阔。