1 引言

起重機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)具有其較特殊的一面，它具有大慣量、四象限運(yùn)行、恒力矩傳動(dòng)的特點(diǎn)。用于水電廠機(jī)組安裝用的橋式起重機(jī)由于其工作環(huán)境和使用要求又具有以下特點(diǎn):工作強(qiáng)度不大（A3），但電氣工作周期較長(zhǎng)，初期的使用環(huán)境較為惡劣、工作強(qiáng)度較大，起重量大，就位精度及低速穩(wěn)定性要求高。

傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法較多，但都存在調(diào)速范圍小、速度穩(wěn)定性差、無法長(zhǎng)時(shí)間低速下降載荷等缺點(diǎn)。近年來，隨著電力電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，變頻調(diào)速在各種傳動(dòng)場(chǎng)合的應(yīng)用成為一種趨勢(shì)。變頻調(diào)速作為一種調(diào)速方法20世紀(jì)初就已經(jīng)提出來，其發(fā)展一直十分迅速，它在節(jié)能，降低噪音，維護(hù)量小，自控性能好等方面的優(yōu)點(diǎn)非常突出。但各類變頻器均有各自的特點(diǎn)和差異，本文就西門子變頻器在水電站橋式起重機(jī)中的應(yīng)用和選配作簡(jiǎn)單介紹。

2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

貴州烏江渡擴(kuò)機(jī)工程是我國(guó)西電東送工程首批啟動(dòng)的項(xiàng)目之一，主廠房安裝有一臺(tái)2×320t橋式起重機(jī)（屬于特大型起重機(jī)），全變頻調(diào)速，雙鉤抬吊重約為 640t的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，雙鉤的抬吊誤差不超過1.5cm。每個(gè)主鉤額定起重量為320t，額定速度為0.15-1.5m/min，全行程高度28m。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用要求，整機(jī)主、副鉤及大、小車共采用了西門子6SE70系列變頻器6臺(tái)（相應(yīng)配置的制動(dòng)單元共11臺(tái)）和S7-300系列PLC一套。整機(jī)的電氣控制系統(tǒng)由PLC進(jìn)行控制，起升變頻器采用模擬量給定和開關(guān)量控制相結(jié)合的方式，運(yùn)行機(jī)構(gòu)則由開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制和給定。另外，起升機(jī)構(gòu)采用光電編碼器測(cè)速反饋和位置檢測(cè)，并在操作室設(shè)置有具有吊鉤高度、綜合狀態(tài)及故障狀態(tài)等綜合信息顯示的液晶顯示屏（TP37）。
3 系統(tǒng)主要器件選用

3.1 電動(dòng)機(jī)的選用
起重機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速，電機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故電機(jī)容量需由負(fù)載功率Pj及加速功率Pa兩部分組成。電機(jī)容量，其中λ為電機(jī)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。若使電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下接近滿載運(yùn)行，且能承受電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，并通過1.1倍試驗(yàn)載荷，則要求電機(jī)的過載力矩倍數(shù)λM大于1.5倍，或適當(dāng)增加加速時(shí)間，以減小加速功率。對(duì)運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，其加減速時(shí)間可在3～6s之間進(jìn)行調(diào)整，這樣，機(jī)構(gòu)運(yùn)行將會(huì)比較平穩(wěn)。

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的負(fù)載特點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間短、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。常規(guī)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)在選擇時(shí)考慮起重機(jī)并不總是在滿載狀態(tài)下工作，在選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)一般選擇電動(dòng)機(jī)額定輸出功率略小于滿載提升所需功率。

以起升機(jī)構(gòu)為例，采用變頻調(diào)速以后電機(jī)的容量。其中，m為起重機(jī)額定提升的負(fù)載質(zhì)量，g為重力加速度，v為起升機(jī)構(gòu)的額定提升速度，η為機(jī)構(gòu)總效率。另外，由于起升機(jī)構(gòu)要能夠提升1.25倍試驗(yàn)載荷，而且要求能承受國(guó)標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)的電壓波動(dòng)的影響，因此其最大轉(zhuǎn)矩值必須要大于2倍負(fù)載力矩。如果電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩值不能滿足1.25倍試驗(yàn)載荷的要求，則可以通過放大電機(jī)容量的方法來解決。
根據(jù)以上說明，主起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)選用了西門子1PQ6310-4AA60，110kW電動(dòng)機(jī)。
3.2 變頻器的選擇
以起升機(jī)構(gòu)為例，起升機(jī)構(gòu)平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般來說可為額定力矩值的1.3～1.6倍?？紤]到電源電壓波動(dòng)因素及需通過125%超載試驗(yàn)的要求等因素，其最大轉(zhuǎn)矩必須有1.8～2倍的負(fù)載力矩值，以確保其安全使用的要求。通常對(duì)普通鼠籠電機(jī)來講，等額變頻器僅能提供小于150%超載力矩值，為此可通過提高變頻器容量或同時(shí)提高變頻器和電機(jī)容量來獲得200%力矩值。若完全用在電機(jī)額定功率選定的基礎(chǔ)上提高一檔的方法選擇變頻器的容量，則可能會(huì)造成不必要的放容量損失。

采用西門子6SE70系列工程型變頻器用于起升機(jī)構(gòu)后，其額定功率為，其中m1為1.25倍額定負(fù)載。由于此橋式起重機(jī)的起升高度為28m，起升速度為 0.15-1.5m/min，因此對(duì)于變頻器本身以90s為工作周期而言為長(zhǎng)時(shí)工作制，而在變頻器最大允許長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)功率，相當(dāng)于,其中η為機(jī)械傳動(dòng)效率，η1為電機(jī)的效率，PCN為變頻器額定功率（kW）。
根據(jù)計(jì)算，主起升機(jī)構(gòu)選用6SE7032-6EG60，132kW變頻器。
對(duì)于運(yùn)行機(jī)構(gòu)而言，只要變頻器的額定電流大于電動(dòng)機(jī)額定電流即可。

3.3 制動(dòng)單元的選擇
以起升機(jī)構(gòu)為例，由于重物在下降過程中將產(chǎn)生大量的再生能量。對(duì)再生能量的處理方法有兩種，一種是用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻來吸收，另一種是通過設(shè)置在直流公共母線上的整流回饋裝置回饋到電網(wǎng)。由于整流回饋裝置價(jià)格較貴，對(duì)電網(wǎng)的要求也較高，且本類起重機(jī)的總工作時(shí)間并不長(zhǎng)。綜合性價(jià)比，在本設(shè)備上采用了制動(dòng)單元加制動(dòng)電阻的能耗制動(dòng)方式。
制動(dòng)單元就是在直流母線回路中加接一檢測(cè)直流母線電壓的IGBT管，一旦直流母線回路電壓超過一定的界限，該晶體管導(dǎo)通，并將過剩的電能通過與之相連接的制動(dòng)電阻器轉(zhuǎn)化為熱能耗。
制動(dòng)單元應(yīng)根據(jù)圖1及表達(dá)式選擇:

圖1 速度曲線

制動(dòng)功率式中，Pbr為系統(tǒng)的實(shí)際制動(dòng)功率（kW）。
由于該類起重機(jī)運(yùn)行過程中起升機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)（長(zhǎng)時(shí)工作制），即t大于90s（t=28×60/1.5），因此PW=Pbr，所以制動(dòng)單元的實(shí)際長(zhǎng)時(shí)制動(dòng)功率P制動(dòng)≥m1gv·η·η1，同時(shí)要滿足。
運(yùn)行機(jī)構(gòu)應(yīng)按進(jìn)行計(jì)算選擇。
相應(yīng)的與其配套的制動(dòng)電阻的功率應(yīng)與制動(dòng)單元的實(shí)際功率P相同或略大。
根據(jù)以上說明，主起升機(jī)構(gòu)選用3臺(tái)6SE7031-6EB87-2DA0，100kW制動(dòng)單元并聯(lián)運(yùn)行，為每臺(tái)制動(dòng)單元配置27.5kW的制動(dòng)電阻。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

4.1 雙鉤抬吊的控制
2×320t橋式起重機(jī)設(shè)有兩套小車和吊鉤的機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置，每套可以單獨(dú)運(yùn)行也能同時(shí)運(yùn)行。同時(shí)運(yùn)行時(shí)即抬吊重物時(shí)由于重物（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子）的直徑及重量均很大，對(duì)兩個(gè)吊鉤在水平方向和垂直方向的相對(duì)誤差要求很高（允許的誤差值1-1.5cm）。

為了達(dá)到以上的要求和性能，在各機(jī)構(gòu)的電機(jī)軸上同軸聯(lián)接安裝有一個(gè)增量型光電編碼器，PLC的計(jì)數(shù)器模板（FM350-1）通過實(shí)時(shí)讀取各光電編碼器的數(shù)值并進(jìn)行比較計(jì)算，并根據(jù)差值的大小計(jì)算調(diào)整斜率，然后按照計(jì)算結(jié)果調(diào)整輸出給定值。由于光電編碼器是安裝在電機(jī)軸上的，相對(duì)的定位精度就很高，因此系統(tǒng)對(duì)雙鉤抬吊時(shí)誤差的理論控制值是2mm，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和使用的實(shí)際值約為5mm（機(jī)械制動(dòng)存在差別）。
4.2 起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器的控制

安裝用起重機(jī)通常起吊的重物都較為貴重，因此對(duì)起升機(jī)構(gòu)來講，能讓制動(dòng)器安全可靠地工作無疑是最重要的。在西門子變頻器中均提供了一些可以編程的輸入輸出開關(guān)量以及模擬量，通過程序組合后可以得到一套完美的制動(dòng)器控制功能。制動(dòng)器的工藝圖可參考西門子《SIMOVENT MASTERDRIVES矢量控制使用大全》的功能圖470。

其工作原理為:在變頻器開機(jī)以后，當(dāng)注入電機(jī)的電流大于等于設(shè)定的閾值以后，SET命令有效，制動(dòng)器允許打開;當(dāng)停車命令或產(chǎn)生故障以后機(jī)構(gòu)（電機(jī)的）速度小于等于設(shè)定閾值后，RESET命令有效，制動(dòng)器關(guān)閉;也可以直接發(fā)送關(guān)閉制動(dòng)器命令，命令發(fā)送后RESET命令馬上有效，制動(dòng)器關(guān)閉，其參數(shù)設(shè)置如附表所示。

變頻器在得到使能命令后即開始進(jìn)行勵(lì)磁運(yùn)行，根據(jù)變頻器自身優(yōu)化參數(shù)，從得到使能命令到達(dá)到電流閾值需要的時(shí)間將會(huì)大于2s，這將大大影響操作的實(shí)時(shí)性，將不能滿足精確就位的要求。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、試驗(yàn)，應(yīng)將參數(shù)P602調(diào)整至0.5-0.75s之間，這樣才能滿足操作及就位的需要。

4.3 系統(tǒng)狀態(tài)及故障的綜合顯示和管理
為了使系統(tǒng)的維護(hù)更加簡(jiǎn)單、快速，以及提高操作人員的直觀程度，在西門子S7-300系列PLC的強(qiáng)大功能和優(yōu)異性能的支持下，系統(tǒng)設(shè)置了對(duì)外部元器件的檢測(cè)和判斷。通過內(nèi)部排序和運(yùn)算，結(jié)合指針?biāo)饕蛿?shù)值轉(zhuǎn)換，在操作室設(shè)置了一臺(tái)TP37觸摸屏，用于系統(tǒng)的狀態(tài)及故障名稱（故障值）的綜合顯示，還包括了各操作指令及輸出執(zhí)行指令的實(shí)時(shí)狀態(tài)的顯示。這樣，不僅操作人員可以通過觸摸屏的顯示使操作更加準(zhǔn)確、有效，而且檢修、維護(hù)人員也可以從觸摸屏顯示的狀態(tài)和故障，通過查詢圖紙及故障表快速、準(zhǔn)確地排除故障。
4.4 系統(tǒng)控制邏輯
結(jié)合起重設(shè)備的特點(diǎn)，系統(tǒng)對(duì)控制回路和動(dòng)力回路分開進(jìn)行控制。西門子6SE70系列變頻器具有獨(dú)特的OFF2（P555=22）的快停功能，切斷控制回路使OFF2有效，變頻器立即封鎖逆變器的輸出，同時(shí)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)器立即斷電抱閘（剎車）;當(dāng)出現(xiàn)控制回路切斷后機(jī)構(gòu)仍在運(yùn)轉(zhuǎn)的特殊情況時(shí)，切斷系統(tǒng)的動(dòng)力回路（主接觸器的余量較大），使所有裝置及制動(dòng)器的動(dòng)力電源斷開。這樣，就能在有特殊情況下保證設(shè)備及人體不受傷害，同時(shí)也能保證裝置不會(huì)損壞。

5 系統(tǒng)存在的問題及解決方法
結(jié)合工程實(shí)際，針對(duì)幾個(gè)經(jīng)常發(fā)生的故障進(jìn)行如下分析和解決。

5.1 制動(dòng)單元結(jié)構(gòu)
我國(guó)幅員遼闊，各地的氣候類型差異較大，例如在西南、華南、華東地區(qū)的溫度、濕度很大，尤其在東北、華北等地區(qū)溫度很低。在一些電站工程中，我們選用了西門子的變頻器及相關(guān)設(shè)備。由于工程前期的環(huán)境極其惡劣，灰塵、濕度等指標(biāo)都嚴(yán)重超過西門子的規(guī)定，致使設(shè)備多次發(fā)生故障，其中絕大多數(shù)為制動(dòng)單元的故障，故障現(xiàn)象為母線的膠木板和膠木座受潮引起母線短路（拉?。＞科湓?，首先是不能滿足西門子規(guī)定的使用要求，解決的方法只有改善設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境;其次，母線的膠木板和膠木座的材料為膠木板，易受潮，解決的方法是選用更好的絕緣材料;再次，制動(dòng)單元在膠木板受潮后在結(jié)構(gòu)布置上極易短路，例如IGBT的輸入、輸出之間為膠木板直接相連，如果將此膠木板在之間截?cái)嗖⒈ＷC一定的距離就可以達(dá)到阻斷短路形成的通道，防止故障的發(fā)生;最后，制動(dòng)單元的內(nèi)部布置非常緊湊，如果將其布置形式改變，加大高電壓部分的距離，切斷短路通道，這樣會(huì)更加適應(yīng)各種工況。
5.2 制動(dòng)單元控制
西門子規(guī)定，制動(dòng)單元的選配必須和所配的變頻器之間滿足一定的要求，具體為P制動(dòng)≤0.6PCN，不同容量等級(jí)的制動(dòng)單元同時(shí)使用時(shí)也有規(guī)定（相鄰容量等級(jí)才能同時(shí)使用），且一臺(tái)變頻器配置有多臺(tái)制動(dòng)單元時(shí)制動(dòng)單元是同時(shí)并聯(lián)接在直流母線上的。由于制動(dòng)單元的容量等級(jí)較為固定、有限，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)與變頻器較難匹配的情況，只能通過放大變頻器容量等辦法加已解決;而且更為嚴(yán)重的是當(dāng)制動(dòng)單元配置不當(dāng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)裝置炸機(jī)等故障。
如果在制動(dòng)單元上設(shè)置適當(dāng)?shù)倪x擇開關(guān)（或跳線選擇器）及改變接線方法，增加如主從控制的功能后就可以較為方便地配置所需制動(dòng)單元，而且可以防止諸如炸機(jī)等故障現(xiàn)象的發(fā)生。

5.3 光電編碼器的選型
系統(tǒng)配置的PLC的計(jì)數(shù)器模板（FM350-1）加增量型光電編碼器的形式是較為傳統(tǒng)的配置，由于光電編碼器與計(jì)數(shù)器模板之間的距離較遠(yuǎn)，運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)計(jì)數(shù)器模板讀數(shù)不準(zhǔn)（光電編碼器脈沖丟失、干擾等現(xiàn)象）的情況。為了改善這一狀況，首先采用屏蔽雙絞電纜并且屏蔽層有良好的接地;其次，盡量取消屏蔽電纜中間的轉(zhuǎn)接次數(shù)，使其能夠形成一個(gè)獨(dú)立完整的屏蔽效果。

如今，西門子傳動(dòng)控制系統(tǒng)具有了強(qiáng)大、簡(jiǎn)潔的DP通訊，具有DP通訊口的絕對(duì)值編碼器也應(yīng)運(yùn)而生，選擇DP通訊加帶DP通訊口的絕對(duì)值編碼器的形式將會(huì)是一種簡(jiǎn)單實(shí)用、準(zhǔn)確可靠的配制形式，必將得到廣泛的應(yīng)用。
6 結(jié)束語
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻器及PLC本身的特性、性能及功能日益完善，如何更恰當(dāng)、更合理地選擇變頻器及PLC是驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵所在，如何利用變頻器及PLC本身的功能使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加符合使用要求是設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。
近年來按照以上方法及應(yīng)用配置的起重機(jī)，包括 2×350t、2×300t、2×160t、2×80t、125/32t、100/20t、80/20t、 50/10t等多個(gè)規(guī)格的多臺(tái)設(shè)備目前已被全國(guó)許多電站（廠）采用，運(yùn)行狀況均較好。這些電站（廠）從南到北、從東到西坐落在全國(guó)各地，我們提供的設(shè)備適應(yīng)了各種氣候條件，并逐步在新聞?dòng)∷ⅰ⒃齑绕渌袠I(yè)得到應(yīng)用。

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