建筑吊运设备变频调速控制系统

　　一、引言

　　在建筑行业中，吊运技术是一项极为重要的技术。随着我国工程建设向标准化、工厂化、大型化、集成化方向发展，设备吊运的重量越来越重，高度越来越亮，难度越来越大，一个大型设备的吊运，往往是制约工程的进度、经济和安全的关键;同时也是展示企业的技术能力和装备能力。为适应当前形势的发展，吊运设备的种类也越来越多，吊运设备的控制也越来越先进化和智能化，其中变频调速和PLC控制技术在建筑吊运设备得到大量应用。

　　二、建筑吊运设备

　　建筑吊运设备按吊运的性质可分为：简单吊运器具：如千斤顶、滑轮组、葫芦、卷扬机、悬挂单轨等;起重机：常用的起重机有流动式起重机、塔式起重机、桅杆式起重机。建筑吊运设备按结构形式可分为：桥架式(桥式起重机、门式起重机);缆索式;臂架式(自行式、塔式、门座式、铁路式、浮船式等)。

　　而在建筑行业中使用最多的吊运设备为塔式起重机，其适用于在范围内数量多、而每一件单件重量较小的构件或设备的吊运，并其作业周期长。目前，塔式起重机吊运的能力在3吨至100吨之间，而其臂长能达到40米至80米，所以，塔式起重机常用在使用地点固定、使用周期较长的场合，较为经济。塔式起重机有起升、回转、变幅、运行、顶升、电缆卷放等机构，各个机构的负载特点区别很大。如起升机构为位能负载，负荷不变时为恒转矩，上升时为阻力负载，下降时为动力负载;回转、变幅则主要传递水平负荷，起动、制动时要客服较大的惯性。负载特点不同，在选择电机、确定传动方案和调速方法，操作使用方面也要有不同的要求。同时，由于建筑工地户外条件恶劣，电源质量不佳，外部环境影响大，检查维修较困难，因此对建筑吊运设备电气系统的可靠性即为重要。

　　三、变频变频控制系统

　　3.1、变频调速

　　变频调速器是一种高科技电子电力元器件集成的电机拖动装置，理论上可以无级调速。而且变频调速是从恒转矩到恒功率进行全方位调速，设定一个频率就有一个对应速度，电控系统是以负载工作的实时变化要求为基础进行设计的，因此需要对负载和电机的特性进行全面的计算。频率f≤50Hz时电机以恒转矩的状态运行，频率f>50Hz时电机以恒功率的状态运行。图1中不同频率的机械特性曲线清楚地表明，不同的负载(转矩比)可以有咒种速度运行，完全能够满足轻载高速、重载低速的要求。

　　3.2、起重机变频调速的硬件选择

　　(1)变频电机的选择

阻等效电阻值;V-制动单元直流工作点电压，一般取700V;Pe-电机额定功率;Kc-制动频度，在桥式起重机中取0.2～0.4;K-回馈时的机械能转换效率，一般取0.7)。

　　(4)可编程控制器(PLC)的选择

　　在桥式起重机中，由于各机构的控制档位一般为5档，那么每个机构所需的PLC总点数一般在19～20个点。对一台三个机构的桥式起重机一般所需的总点数在60个左右。

　　(5)其它电气元器件按有关标准进行选择，在此不作详细说明。

　　3.3、起重机变频调速的电气图设计

　　现以安川变频器为例，主要说明起重机变频调速部分的电气图设计。起重机起升机构变频调速的电气原理图如图2所示。起升机构变频电机内配有旋转编码器，与安装在变频器内的速度卡连接，构成速度闭环控制。变频器上的S1～S7、SC、MA、MB、M1、M2等控制点和控制电机风扇运行接触器K7及制动器动作接触器K8的线圈控制线路分别与所选PLC的输入、输出及电源点连接，通过PLC内部程序的运行，实现对起升机构变频调速闭环控制。在变频器电源输入端子(R、S、T)和电源之间，配有漏电断路器Q1和AC电抗器。其中漏电断路器Q1的容量为变频器额定电流的1.8倍，感应电流在30mA以上,可以检出对人体有危险的高频漏电流，防止事故的发生;而其AC电抗器和变频器内的DC电抗器可有效改善电源侧的功率因数，降低对外界的干扰。

　　起重机移动机构变频调速的电气原理如图3所示。移动机构变频调速为开环控制，无需配旋转编码器及速度卡。其它线路设计与起升机构类似。

　　3.4、起重机变频调速的程序设计

　　起重机变频调速的程序设计其实就是对所选PLC内的程序设计。PLC的程序设计一般采用梯形图或指令表两种方式进行程序设计。起重机变频调速的PLC程序分两部分：运行控制程序和通信接口程序。一般起重机变频调速主要的程序是运行控制程序，而对于通信接口程序只有在PLC配有触摸屏时才会涉及到。起重机每个机构的运行控制程序基本由电气保护、档位控制、制动器及电机风扇运行程序段组成。其中档位控制就是起重机司机室内联动控制台的档位变化，通过PLC内的程序运行，控制变频器的多段速指令变化，而使变频器输出频率随档位变化而按预设好的频率发生变化。

　　起重机的PLC控制系统有96个输入点、64个输出点组成，共160输入、输出点，采用西门子S7-300(CPU为315-2DP)PLC，其扩展7块数字量输入模块SM321、4块数字量输出模块SM322。

　　四、起重机变频调速的安装调试

　　起重机变频调速控制柜在柜内安装时，变频器上下离柜体或其它元件的距离应在120mm以上，左右离柜体或其它元件的距离应在30mm以上，而且变频器和PLC最好不要在同一个柜内，避免相互间的影响。变频器和PLC的控制回路接线应采用屏蔽电缆，尽可能与动力线分离走线。变频器及PLC的接地采用C种接地，与电焊机、动力设备等接地分离，其接线应尽可能短。

　　起重机变频调速的调试一般有以下几步：(1)调试前对所有设备、线路接线进行检查，测量电气线路在运输安装过程的损伤情况，以及电网供电是否存在缺相现象;(2)将预先设计好的程序输入到PLC内，这步也可在柜体制作过程中进行;(3)对变频器上电检查后，通过变频器上的控制屏对电机进行点动操作，看其旋转方向是否正确;然后选择适合电机的自学习方式，对电机进行自学习。若选择了旋转型自学习，就必须将负载脱离，并确保电机可安全旋转;(4)设置所选控制模式对应的参数及其它相应参数(其具体设置参见各自所选的变频器使用手册)，并确定所有设备通电均无异常后，进行桥式起重机空载调试。(5)空载调试好后，带上额定负载进行满负载调试。在满负载调试时，适当改变变频器的加减速时间参数值，使加减速时间调整达到最佳值。若起升机构满负载运行时，出现明显的溜钩想象，就需要调整变频器内的制动参数。

　　五、结束语

　　起重机采用变频调速后，经过实际应用，运行效果良好，性能稳定可靠，故障维修率明显减少，达到了用户的预期目标，为用户创造了极大的经济效益，受到了许多用户的好评。同时，在负荷经常变化的情况下，具有轻载高速，重载低速的性能，合理利用功率，达到节能减排的目的。