1 引言
随着工业生产对起重机调速性能要求的不断提高，常用传统的门式起重机调速方法如:绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等，它们共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、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，而且调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的特殊要求。
交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的门式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，采用交流变频调速是门式起重机交流调速技术发展的主流。
2 1100t变频调速门式起重机运行的特点
2.1使用环境
1100t变频调速门式起重机适用于大吨位构件组焊、设备安装，港口码头、铁路货场、重工企业等的货场装卸作业，起升高度可达13m，最大起吊重量为1100t，它是我国目前起吊量最大的门式起重机。该产品采用“A”型门架，双主梁结构，刚性支腿，无悬臂，无马鞍，并采用双小车形式。
1100t变频调速门式起重机适用的场合均属露天环境，室外温度变化剧烈，有些场所存在多粉尘、有腐蚀气体等，使用环境恶劣。门式起重机运行中振动、冲击较大，供电电源方面普遍存在变压器容量小，供电电缆截面小、线路长;在大型设备启动时，常造成瞬时欠电压。
2.2 运行特征
(1) 门式起重机应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑超载实验等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩;
(2) 由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须充分研讨变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序;
(3) 当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电动机将处于再生发电状态，其能量要向直流电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量;
(4) 起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。
3 电动机的选用
笼型异步电动机由变频器供电时，会由于变频器高次谐波的影响和电机运行速度范围的扩大，出现一些工频电源供电时没有的新问题。
3.1 谐波的影响
笼型异步电动机采用PWM调制方式的通用变频器供电时，定子电流中含有丰富的高次谐波，它造成电动机的铁损和铜损增加，致使电动机的温度上升。统计资料表明，电动机在额定状态下，变频器供电的电动机比工频供电时，电流增加10%，而温升增加20%左右。选择电动机容量时，应留有裕量，防止电动机温升过高，影响其寿命。
3.2 散热能力的影响
标准笼型电动机调速运行时，额定转速以下随着转速的降低其散热能力变差。门式起重机的起升、平移机构均为恒转矩负载，为了保证低速运行时电动机温升在容许值内，须采用变频专用电动机。现在国内推出的变频专用电动机由普通笼型异步电动机加装独立风扇组成，并且提高了电机绕组的绝缘能力，可在3~100Hz范围内连续运行。3~50Hz范围内为恒转矩运行，50~100Hz范围内为恒功率运行。
3.3 电动机绝缘的影响
现在市场上出售的通用变频器大多采用PWM调制方式的IGBT逆变器技术，其输出电压由高压脉冲组成，峰值约为电网电压的1.35倍。根据电机电缆特性及供电距离的不同，脉冲电压的峰值在电动机接线端子处可能加倍，这就对电动机的绝缘提出了更高的要求，详细情况应参阅变频器生产厂家提供的使用手册或向电动机生产厂商咨询。
为了满足1100t变频调速门式起重机对电动机提出的要求:具有高启动转矩、低速满转矩、高绝缘等级、宽调速范围、高运行效率和高可靠性等，起升、大车和小车运行机构的驱动电动机均选用变频调速三相异步电动机，经过载荷换算和机械效率计算各运行机构驱动电动机的数据如下:
(1) 4台起升变频调速电动机参数为:YP2 280M-8，PN=45kW，IN=93.5A，TN=581Nm，n=740r/min;
(2) 4台小车变频调速电动机参数为:YZP112M-4，PN=4kW，IN=9.5A，TN=26Nm，n=1415r/min;
(3) 16台大车变频调速电动机参数为:YZP132S-4，PN=5.5kW，IN=12.2A，TN=36Nm，n=1450 r/min。
4 变频器的选用
能满足门式起重机运行特点，即具有高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和抱闸顺序控制等功能的高性能工程型变频器，主要有ABB公司的ACC600系列直接转矩控制型变频器;西门子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型变频器。下面就门式起重机的起升、平移机构的变频器选用原则做以详细说明。
4.1 起升机构
变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即:
式中:k—过载系数1.33;
PM—负载要求的电动机轴输出功率，kW;
η—电动机效率;
cosφ—电动机的功率因数。
起升机构要求的起动转矩为1.3~1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6~2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60s、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。
在变频器容量选定后，还应做电流验证，即:
ICN≥kIM
式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05～1.1)
ICN—变频器额定输出电流，A
IM—工频电源时的电动机额定电流，A
1100t变频调速门式起重机有两个独立驱动的起升机构，每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，变频器选用ACC600直接转矩控制型提升机专用变频器，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，每台电动机采用带脉冲编码器的速度闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用ACC600变频器提供的具有同步控制功能的主从控制宏方案，这些控制方案可以实现2台电动机的精确同步控制和转矩平衡分配。
按照上述变频器选用、计算公式进行换算，双起升机构选用4台ACC601-0120-3提升机专用变频器，其技术参数:Shd=100kVA，Phd=75kW，I2hd=147A(4/5min负载周期重载应用)。变频器配用的4个脉冲编码器为NTAC-02，其技术参数:fmax=100kHz，Vcc=24VDC，1024p/r，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信号输出。如图1所示，每个起升机构2台驱动变频器之间提供同步控制功能的主从控制宏通过变频器主机与从机通道CH2之间的主/从通讯链接实现。起重机的各种操作信号只送给主机变频器，从机变频器经由主从光纤通讯链路受控于主机变频器，在本例中主传动是典型的速度控制，从机变频器跟随主机的速度给定。用于速度闭环控制的脉冲编码器模块NTAC-02连接于相对应变频器的通道CH1，且必须设置下列参数:
(1) 50.04 ENCODER CHANNEL:CHANNEL 1;
(2) 70.03 CH1 BAUDRATE:4 Mbit/S。
4.2 平移机构
1100t变频调速门式起重机的平移机构分大车机构和双小车机构，两种机构均采用多台电动机传动方案。由于门式起重机平移机构的转动惯量较大，为了加速电动机需有较大的起动转矩，因此门式起重机平移机构所需的电动机轴输出功率PM应由负载功率Pj和加速功率Pa组成，即:
PM≥Pj+Pa
由于平移机构采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，因此在变频器容量选择时，还要满足以下公式:
ICN≥knIM
式中:k—电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05~1.1)
ICN—变频器额定输出电流，A
IM—工频电源时单台电动机的额定电流，A
n—一台变频器拖动的电动机数量
1100t变频调速门式起重机的大车机构和双小车机构均采用一台变频器拖动多台电动机的通用U/f开环频率控制方式，变频器选用FUJI公司生产的G11系列通用多功能变频器。按照上述选型、计算公式进行换算，大车变频器选定为FRN132G11S，其技术参数:Shd=192kVA，Phd=132kW，I2hd=253A; 2台小车变频器选定为FRN30G11S，其技术参数:Shd=45kVA，Phd=30kW，I2hd=60A。由于在变频器“一拖多” 通用U/f开环频率控制方式中，变频器提供的电子热继电器保护功能无法实现对单台电动机的过载保护，为此在每台电动机回路中串入带有热过载保护功能的低压断路器，以实现对单台电动机的过载保护，电动机故障信号取自低压断路器的辅助触点。
5 再生能量的处理
当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放或平移机构急减速、顺风运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。
在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案:
(1) 在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动;
(2) 采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。
动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下(电网压降不大于10%)，才可以采用回馈制动方式。在再生发电制动运行时，电网电压的故障时间大于2ms，则变频器控制板用“低电压”故障切断并断开网侧接触器，退出回馈制动运行，从而造成制动不能连续进行的故障。对于采用滑触线供电的门式起重机，应特别注意防止滑触线电刷接触的间断，如果不能保证这一点，应采用动力制动方式，以保证起升机构持续下降时调速制动的可靠性。因此，1100t变频调速门式起重机的双起升机构、大车机构和双小车机构均采用动力制动方式处理各运行机构的再生能量。关于各机构采用动力制动方式后的元器件选用和计算,可参阅参考文献3，限于篇幅，此不赘述。
按照制动单元和制动电阻选型、计算公式进行换算，双起升机构的每台变频器ACC601-0120-3配用2台ABB公司的NBRA-659型制动单元，其技术参数:PBRmax=352.8kW;每台制动单元配置并联连接的2台SAFUR200F500型制动电阻, 其技术参数:PRcont=13.5kW，R=2.7Ω，ER=5400KJ(400s工作周期)。双小车机构的每台变频器FRN30G11S-4CX配用1台FUJI公司BU37-4C型标准配置制动单元，其技术参数:PBRmax=18.5kW;每台制动单元按标准配置连接1台DB37-4C型制动电阻, 其技术参数:PRcont=1.85kW(10%制动使用率)，ER=185KJ(10s制动时间)。大车机构变频器FRN132G11S-4CX配用1台FUJI公司BU132-4C型标准配置制动单元，其技术参数:PBRmax=66.5kW;大车制动单元配置并联连接的3台DB45-4C型制动电阻, 其技术参数:PRcont=2.25kW(10%制动使用率)，ER=225KJ(10s制动时间)。
6 PLC在变频调速系统设计中的应用
6.1 PLC硬件配置
1100t门式起重机变频调速系统设计中，为了减少继电器的用量、提高电控系统可靠性和增加系统控制灵活性，引入了PLC控制。PLC主要完成各机构变频器的给定指令和变频调速系统的各种保护信号的逻辑控制，I/O点数多达121点。
PLC选用德国SIEMENS公司的模块式S7-300型,CPU单元为CPU315-2DP,存储器选16KB FEPROM存储卡，5个输入模块均为16点输入电压AC230V的SM321-1FH00，4个16点,AC120V继电器输出型的SM322-1HH00输出单元，1个独立接点8点AC230V继电器输出型的SM322-1HF01输出单元。
为了实现对门吊操作信号的实时监控和各种故障信号的智能显示，系统还采用了SIEMENS触摸屏TP37进行智能显示，TP37与S7-300通过PROFIBUS-DP接口的通讯电缆进行数据交换。维修人员可根据智能显示屏的故障诊断提示实现快速维修，从而缩短了门吊发生故障后的修复时间。
6.2 变频器控制部分的PLC程序设计
双起升机构的驱动变频器由于采用ACC600起重机专用变频器，变频器的速度给定来自于PLC输出触点，因此采用ACC600提供的分级无线电给定(STEP RADIO)控制模式。它支持4种不同的速度级别，其速度给定由第一个速度级别的方向命令加上另外三个用于不同速度级别的触点指令构成。触点可连接到设置的DI(包括扩展I/O模块)上，相应的速度给定级别由参数64.13SPEED REF LEVEL1到64.16 SPEED REF LEVEL 4设定。只有较低级的分级触点全部闭合，高一级的才能激活。例如:当闭合触点要打开第4级的分级给定时，第2、3级的触点必须闭合。STEP RADIO控制模式不需要零点位置输入信号，操纵杆监测功能无效。双起升机构的PLC程序主要完成起升变频器给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
大、小车机构的驱动变频器采用FUJI公司通用多功能G11系列变频器，变频器的速度给定采用多段速标量控制，它来自于PLC的二进制编码形式输出触点。大、小车变频器均为5档速度，每档速度的设定值在C05多步频率1到C09多步频率5中灵活设置。大、小车机构的PLC程序主要完成变频器二进制编码多段速标量控制模式给定信号和外围信号的逻辑运算、制动器的控制和各种故障信号的逻辑判断。
双起升机构、双小车和大车机构PLC程序的实现，限于篇幅，此不赘述。
7 安装和接线
7.1 安装
(1) 耐环境设计
变频器和PLC正常使用的环境温度容许值为0～ 40℃，但1100t变频调速门式起重机主要用于港口码头和野外组拼货场的露天环境，室外温度变化剧烈，在冬天和夏天的大部分时间里，不能满足变频器和PLC对使用环境温度的要求。由于不能把变频器和PLC的环境温度限制在其容许值以下，因此采用下述方法保证它们的正常运行。
1100t门吊的主梁内有8个长2400mm、宽1600mm、高2950mm相接的梁仓，正好安装PLC柜、1～3#变频柜和1～4#电阻柜等8台电控柜。为了保证变频器和PLC正常运行所需的温度，我们对PLC柜和1～3#变频柜所在梁仓的钢板用保温材料进行了处理，并采用海尔工业中央空调对它们进行保温控制。
为了降低电控柜内的温升，在其顶部安装了冷却风扇，下方设有带金属丝网的进气孔，并让大发热量器件尽量靠近冷空气进风口，提高散热效率，使空气对流畅通。
(2) 电磁兼容性设计
现在市场上出售的变频器大多采用不可控整流电源及PWM脉宽调制技术，致使变频器输出电流富含各种高次谐波，属于强电磁干扰源。电磁干扰是通过传导和辐射这两种耦合方式进入PLC控制系统，产生干扰的。因此，消除或减弱干扰的方法针对干扰形成的三项因素，即干扰源、干扰途径和敏感电路，我们采取了以下两方面的措施。
l 一是消除或降低干扰源的强度。变频器属于强电磁干扰源，PLC的安装尽量远离它们。本例中，PLC和变频器安装在不同的电控柜内。为了减少谐波污染造成的干扰，尽量降低变频器的载波频率。本例中，所有变频器的载波频率设为2kHz。
l 二是破坏干扰途径，防止干扰侵入敏感电路。过程通道是PLC的I/O接口与其外围设备进行信息传输的路径，长线传输引入的干扰是主要因素。为了在强电磁干扰环境中减小过程通道中的干扰，1100t变频调速门式起重机采用了以下技术措施。
l PLC、变频器的输入信号线与动力线在电控柜内和主梁内分开走线，且沿各自的线槽进行配线，并使二者之间保持尽可能大的距离。
l 由于PLC外围的一些I/O信号，如极限限位、主令控制器等远离PLC主控柜，在实际布线时与主回路动力线分开布线有困难，因此本例中还选用了数据滤波器串入PLC和变频器的输入信号线，以滤除信号线上的干扰信号,它们都靠近PLC或变频器安装。
l 提高PLC输入模块的抗干扰能力。本例中，PLC输入模块选用1FH00-0AA0，其技术参数:输入电压额定值AC230V，信号1时AC79-264V，信号0时AC0-40V。一般PLC常用DC24V输入模块的输入电压信号1时DC13-30V，信号0时DC0-5V。由以上技术参数可知，选用抗干扰能力高的输入模块后，PLC输入电压信号1时的阀值电平由13V提高到79V，从而使PLC电控系统的抗干扰能力得到提高。
7.2 布线设计
(1) 变频器主回路
1100t变频调速门式起重机起升机构的变频器采用直接转矩控制(DTC)方式，它们要使用电动机的一些电机常数，而数据的获得是由变频器的参数自检测程序来完成的。如果按常规的导线发热校验选择电机的配线，必然把长距离线路阻抗加入到了参数自检测出的电机数据中，引起变频器的控制精度下降，达不到控制要求。另外，变频器与电动机之间的r电缆敷设距离长，则线路压降大，有时产生电机转矩不足。特别是变频器输出频率较低时，其输出电压也低，线路压降所占的比例增大。变频器与电机间的线路压降以不超过额定电压的2%为容许值，电机电缆的截面可据此来选择。
由于在变频器的输出布线中存在寄生电容，其容量与电机电缆的长度成正比，电机电缆的寄生电容容量越大，采用PWM控制方式的变频器输出电缆中的漏电流也越大，从而造成变频器的出力不够。所以在门式起重机的布线设计中，应力求减小变频器到电动机的电缆的长度总和。在1100t变频调速门式起重机的电气布线设计中，如果从大车变频器控制柜到16台大车电动机进行直接布线，其电机电缆的总长度为450m，已超过大车变频器所允许的350m的最长距离。为了解决这一问题，我们采取把保护大车电动机的16个带有热过载保护功能的低压断路器分成前后两组，分别装设在大车前、后支腿上的端子箱中，然后再由大车变频器分别向大车前、后支腿上的端子箱供电，每台大车电动机再就近连接到端子箱中相应的低压断路器上，这样的布线设计使大车变频器的输出电机电缆总长度缩短到120m。
(2) 控制回路
变频器的控制信号为微弱的电压、电流信号，所以与主回路不同，变频器的输出回路是强电磁干扰源，因此，变频器控制回路的配线不能与变频器主回路配线在同一根铁管或同一配线槽内敷设。为了进一步提高抗干扰效果，本例还采用1.0mm2绝缘屏蔽导线传输PLC与变频器之间的控制信号和起升电动机脉冲编码器的速度反馈信号。绝缘屏蔽导线的接地在变频器侧进行单点接地，使用专用的接地端子。
8 结束语
随着电力电子技术的不断发展完善，交流变频调速技术日益显现出优异的控制及调速性能，高效率、易维护等特点，加之它的价格不断下降，使其成为起重机械一种优选的调速方案。但是，要使变频器成功地应用于门式起重机调速，就必须针对门式起重机的特点，计算和选择变频器及其外围的辅件，并在安装与布线时采取特殊技术措施，以保证变频调速的门式起重机安全、可靠地运行。本文提出的变频调速控制方案和设计计算方法已成功应用于我公司给中国一重集团制造的目前我国起吊量最大的门吊—1100t变频调速门式起重机，该门吊已在神华集团的煤液化基地投入正常运行。经过一年多的实际运行证明，PLC控制的变频调速门式起重机，不但线路大为简化，而且各项调速性能均优于传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统，再加上变频器和PLC完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。
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