海浦蒙特HD30系列矢量变频器在桥式起重机中的应用

桥式起重机是我国国民经济发展必不可少的设备，是大型制造业制造车间中重要的起重设备。在桥式起重机控制中，对设备运行平稳、安全可靠要求很高。

本文主要介绍了海浦蒙特HD30系列变频器及HDRU系列能量回馈单元在20吨桥式起重机上的成功应用，以及通过四象限变频技术实现节能的成功解决方案。

1 桥式起重机系统特点

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备。由于它的两端坐落在高大的水泥柱或者金属支架上形状似桥，区别与其他起重设备故称为桥式起重机。

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，可以充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械。

桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构（大车）、桥架金属结构组成。

起重小车由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。起升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器，带动卷筒转动，使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下，以升降重物；小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架，通常为焊接结构。

大车在高架轨道上运行由桥架两侧两个电机驱动，实现纵向移动；小车在桥臂上运动由单独一台电机驱动，实现横向移动；提升机构安装在小车上，由单独一台电机驱动，实现垂直方向运动。三组电机可以通过控制室分别实现方向的切换和加减速运行。

桥式起重机运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为分别驱动，即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。现场为20吨的桥式起重机，均采用分别驱动方式，动力配置如表1所示。

表1  桥式起重机动力配置关系

控制室通过控制手柄把模拟量速度信号传送至PLC系统；经PLC系统处理后输出至变频器；变频器根据PLC系统的运行命令及频率参数驱动电机运行；同时PLC系统控制电磁制动器开闭刹，完成动力控制。

2 应用解决方案

2.1 系统配置

现场共四台交流电机：两台5.5kW大车驱动电机、一台4kW小车驱动电机、一台22kW提升电机。

大车行驶驱动电机驱动大车在高架轨道上运行，其特点是跨度大、行驶距离长。为保证其长距离运行不倾斜，选用18kW的变频器（HD30-4T018G，V/f控制方式）驱动两台5.5kW电机。排除电机滑差及驱动轮与轨道的压力影响外，两台电机运行速度基本一致；

小车行驶驱动电机驱动小车在桥臂上运行，轨道跨度小，选用5.5kW变频器（HD30-4T5P5G，V/f控制方式）驱动一台4kW交流电机；

小车提升电机是整个系统中最关键的电机，要完成20吨工件的提升动作。选用37kW变频器（HD30-4T037G，矢量控制方式）驱动一台22kW提升电机。

电机及变频器配套关系如表2所示。

表2  电机与变频器配套关系

桥式起重机整个控制系统由控制室操作面板、PLC控制系统、变频器驱动系统、电机系统和制动系统组成。PLC协调处理控制系统的输入输出命令，控制室操作面板输出的运动方向、速度信号经过PLC处理后控制相应变频器运行。变频器同时反馈运行信号至PLC，PLC判断变频器运行信号和输出频率，控制电磁制动器打开抱闸。相应的电机输出动力。整个系统控制如图1所示。

2.3 控制信号配线

大车、小车驱动变频器驱动采用V/f控制方式运行，PLC控制系统给定运行方向命令、模拟量速度给定以及故障复位命令，变频器反馈PLC变频器运行状态信号。

配线图如图2所示，参数设置见表3。

提升变频器驱动电机为大惯量负载，其提升转矩要求很高。在抱闸松开瞬间负载最大，此时电机仍处在零速状态下。HD30采用无PG矢量控制，起动转矩在0.5Hz可达180%额定转矩，能满足提升工况需求，保证提升系统无溜钩现象。

提升机在下放工件（负载）时，在工件拖动下交流电机变成发电机，导致直流母线电压升高。在常规变频系统中会采用制动单元及制动电阻消耗直流母线上超出的电压，以保证变频器正常运行，而此处选用海浦蒙特HDRU-4T075能量回馈单元。能量回馈单元不仅可以节省制动单元与制动电阻的成本，更重要的是可以把直流母线上超出的电量逆变为工频交流电回馈到电网中，从而实现节能。

提升变频器（含HDRU）配线图如图3所示，参数设置见表4。

2.4 参数设置

表3 大车、小车驱动变频器参数设置

2.5 调试步骤

大车驱动变频器调试

大车是一台变频器带两台电机，调试时需先设置好最高运行频率、加减速时间以及频率给定通道，然后单台进行点动实验分别确认两台电机的正确接线顺序。这样才能避免两台电机方向相反而出现故障。

小车驱动变频器调试

小车调试主要对电机最高运行频率、加减速时间以及频率给定通道进行设置，试机时还要注意控制杆指示方向与电机运行方向是否吻合，否则需要对变频器运行方向进行设置。

提升驱动变频器调试

提升驱动变频器采用的是矢量控制，因此需要先按照电机铭牌参数设置好变频器中电机参数信息。然后需要进行空转自整定，这样能达到优越的矢量控制。现场调试表明，空转自整定要效果要明显优于静止自整定效果。

能量回馈单元安装简单，将输入(+)(-)分别与变频器直流母线(+)(-)相连，输出L1、L2、L3端子接工频电网。设置回馈电压为670V，其他参数为出厂值。在提升负载下放时能量回馈单元把直流母线上超出的电压逆变为工频交流电回馈电网，保持变频器直流母线电压维持在安全的670V内。

2.6 实际效果

整个方案接线精简，控制简易。试机操作提升15吨钢件时，提升力矩充足，尤其在高速运行时性能平稳；下放钢件时能量回馈单元平均回馈电流在30A左右，节能效果显著；同时，在水平方向的移动平滑，运动中加减速性能优异。

整个调试过程无过流、过压等故障出现，机器性能得到客户及行车设备商的充分认可。特别是能量回馈单元的引入，把原本消耗在制动电阻上的能量变成交流电反馈电网，降低了起重机的能量消耗，得到了客户的极好赞赏。

3 结束语

采用变频控制技术实现桥式起重机的电机控制，改善了系统的控制性能、提高了控制精度和安全性。在提升方向上配备“变频器+能量回馈单元”实现了行业中技术先进的四象限变频技术，在提升设备节能方向上有很好的推广意义。