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1、起重机调速控制系统的应用与研究摘要：本文介绍了现行常用的几种常用的几种交流调速技术。对变频调速控制技术若干关键问题进行了详细的分析，提出了变频调速控制系统的发展趋势和重点研究的内容。关键词：交流调速技术；控制系统设计；再生制动能量引言 起重机作为一种重要的起重运输机械，在工业生产中得到了广泛的应用。对于起重机起升机构的控制，往往要求从控制精度、速度以及防摆等方面进行综合考虑。变频调速以其优异的调速和启、制动性能,高效率、高功率因数和节能效果，广泛的适用范围及其他许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式，是当今节能、改善工艺流程、提高产品质量、推动技术进步的一种主要手段。变频调速系统在起重
2、机上的应用有着广阔的前景。 一、现代起重机交流调速技术的应用 （一）传统起重机调速技术 1.转子串电阻调速 绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行，串入的电阻越大,电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上，属有级调速,机械特性较软。 2.定子调压调速 电机转矩与定子电压的平方成正比，改变定子电压可以改变电动机的转矩，从而实现速度控制。其优点是方法简单，调速平滑，,当采用闭环控制时还能达到理想的精度；缺点是调速范围窄，电动机转子损耗比较大。 3.串级调速 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电
3、动机的转差，以达到调速的目的。该方法简单方便，但调速是有级的，不平滑，调速效率较高，功率因数较低，电气制动不够理想。综上所述，传统起重机调速方式存在如下问题：调速系统的综合性能指标较差，效率较低；绕线转子异步电动机有集电环和电刷，它们要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见；大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高。 针对现有技术存在的不足，现代起重机采用变频调速技术，以程序控制系统取代继电器接触器控制，进而实现了起重机的半自动化控制。 （二）变频调速技术 变频调速是通过改变电动机定子电源的频率从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变
4、频器，变频器可以分为交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类。变频调速有很好的运行特性，调速范围宽、精度高，节能效果显著，能实现稳定的低速运行，启、制动过程平稳，定位准确，且在负载波动较大时速度无明显变化，是目前应用的主流。起重机的变频调速系统极大地提高了起重机的功能、安全性和使用寿命,它将朝着智能化、高可靠性的方向发展。 二、变频调速控制系统原理设计 各类起重机变频调速控制系统的设计均采用PLC和变频器调节交流异步电机转速的方法，电机速度闭环控制系统原理图见图1。给定的速度与经由PLC高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经PLC运算得到控制量，再由RS-485接口输出到变频器以驱
5、动交流电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变频器之间没有采用D/A进行转换，而是采用了RS-485进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力。 图1电机速度闭环控制系统原理图 三、起重机变频调速控制系统的关键技术 起重机运行时具有以下特点：启动时具有较大的启动转矩，起升机构向下运行时重物产生的位能性负载使电动机处于发电状态，重物离开地面的瞬间负载变化激烈，加速、减速以及外界干扰引起摆动等。针对起重机的运行特点，采用变频调速控制时必须解决以下关键技术。 （一）防停滞技术 即在低频时能保证恒转矩输出，以避免低频时满负载工况下出现停滞现象。闭环控制的速度反馈采用增量式脉冲编码器，系统具有足
6、够的调速硬度和良好的低频转矩特性，即使在0 Hz，电机也能以150%额定转矩输出。要保证起升机构在低速时有足够大的转矩，以避免低频时满负载工况下出现带不动负载的现象。 （二）防溜钩技术 即满负载时在空中制动停车或再提升时不产生溜钩现象。在重物开始升降或停止时要求制动器和电动机之间的动作必须紧密配合，因为制动器从抱紧到松开，以及从松开到抱紧的动作过程需要一定的时间，而电动机转矩的产生或消失是在通电或断电瞬间就立刻做出反应。变频器具有零速全转矩功能，可有效地防止溜钩,其原理是变频器在速度为0的状态下，能保持电动机有足够大的转矩且不需要速度反馈，这就保证了当吊钩由升降状态降速为0时电机能使重物在空中
7、停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。 （三）再生制动能量处理技术 即电机减速或重载下放时再生制动能量必须迅速释放。对再生制动能量的处理有2种方式： 一种是用制动单元和制动电阻来吸收； 另一种是通过在直流侧设置公共母线的逆变桥使之回馈到电网。采用能耗电阻的方式，在制动单元和制动电阻的选择上应考虑到起升机构属位能性负载特性，不能使用制造厂商推荐的制动单元和制动电阻的容量，必须增大制动单元和制动电阻的容量，电阻的阻值决定着制动电流，也就决定着制动时间的长短。起重机变频调速系统中长时间的制动转矩特性决定需要考虑的并不是它的阻值，而是它的功率，即在设计中把制动电阻的功率增加一倍，以保证再生
8、制动能量的迅速释放。 （四）起重机定位与防摆控制技术 图2为定位与防摆控制系统结构框图，采用模糊控制能够保证系统的鲁棒性。本文中，为了研究方便，不考虑负载的提升，即绳长不变。控制电机驱动小车带动负载安全到达目标位置，同时做到定位准确和负载无摆动。也就是要求小车在参考速度曲线下达到目标位置，同时实现悬绳摆角和摆角速度在到达目标位置时减小到零。控制系统采用3个模糊控制器,对小车位置、起升和负载摆动分别进行控制。图2中为悬绳的摆角，l为悬绳的绳长，模糊位置控制器参考了一个简单的小车速度参考曲线，而模糊防摆控制器则是基于起重机操作员的实际操作经验而设计的，可以对负载摆动进行有效的控制。模糊位置控制器的
9、输入为小车的实际速度与参考速度之差，输出为控制作用U1，U2、U3分别为模糊起升控制器和模糊防摆控制器的输出量，U、i分别为起重机当前输入控制量和模糊起升控制器的反馈输入量。图2定位与防摆控制系统结构框图实现调速系统模糊控制，既保留了PLC控制的可靠性、灵活性等特点，又提高了控制的智能化程度，取得了令人满意的的效果。对于那些大时滞、大惯性、开环控制系统和难以建立精确数学模型的控制对象，基于PLC的模糊控制方法不失为一种较理想的方案。 图2定位与防摆控制系统结构框图 四、结束语 起重机是一个非线性系统， 大多数研究者设计控制策略时通常将其复杂的模型进行模型线性化。起重机的控制策略从经典控制到现代控制，又发展到智能控制，起重机的防摇摆、防冲击等性能得到了有效提高。未来的控制策略应具有强的鲁棒性和有效性，能够适应起升钢丝绳长度的变化和载荷质量大范围的变化, 因此复合控制技术在鲁棒性和有效性方面存在着潜能。 参考文献： 【1】徐锋,杨彦青.桥式起重机提升机构电力拖动变频调速技术改造.电气开关.2007.(1). 【2】邱德端.变频调速技术在大型造船门机起升机构中的应用.中国水运,2008,8(2):214-215. 【3】曹玲芝.起重机变频调速控制技术的研究现状及趋势.微电机,2008,41(3):62-64.