一种适应恶劣环境的桥式起重机高可靠性调速装置的研发

廖志雄吴韩辉杨小明罗庆祝徐彦飞程新华

（1．广东省云浮市特种设备检验所，广东 云浮 527343； 2．广东广业云硫矿业有限公司 广东 云浮 527300）

一种适应恶劣环境的桥式起重机高可靠性调速装置的研发

廖志雄1吴韩辉2杨小明1罗庆祝2徐彦飞2程新华1

（1．广东省云浮市特种设备检验所，广东 云浮 527343； 2．广东广业云硫矿业有限公司 广东 云浮 527300）

本文分析了交流接触器在抓斗桥式起重机绕线式异步电动机转子串接电阻控制系统中存在故障率高、可靠性差的现象，据此提出在电力电子技术的基础上，对现有的控制回路进行无触点控制改造，实现电机的无触点延时平滑启动。通过本次改造，不仅提高了系统控制精度，可靠性和稳定性；而且有效解决了抓斗桥式起重机控制系统存在的各种问题，大大降低了抓斗桥式起重机的故障率，减少了维修工时和员工的劳动强度，增加了一定的社会效益和经济效益。

调速装置；桥式起重机；研发；高可靠性

一﹑项目研发的背景

调速装置是桥式起重机极为重要的运行部件，现有的桥式起重机调速装置主要由调速电阻，切换电阻交流接触器﹑延时切换时间继电器﹑凸轮控制器等组成，由于整套调速装置可动部件多，容易出现失灵，卡死等故障；同时，接触器需经常切换大电流，在运行过程中产生大量电弧和火花，接触器触头容易烧蚀﹑粘结，从而造成电气短路，在检验过程中，因需检查调速装置及各运行机构工作情况和性能，因此在一定程度上对检修﹑检验人员人身安全造成威胁；由于桥式起重机调速装置应用的环境差，运行负荷大且不稳定，故障率高，桥式起重机的安全性能受调速装置的影响较大，桥式起重机安全性能也因此大打折扣，因此根据企业应用和检验所业务需求，主要针对广东广业云硫矿业有限公司矿山﹑磷肥﹑硫酸生产存在多粉尘，强腐蚀环境下频繁操作的桥式起重机运行故障率高﹑维修成本大﹑可靠性与连续性差﹑安全隐患大﹑检验过程复杂繁琐等问题展开研究，以满足安全﹑可靠﹑连续﹑高效生产的实际需要；同时提高检验人员的工作效率，降低监管压力，有效提高起重机行业技术水平；通过推广应用，可创造可观的经济效益和良好的社会效益，为促进我国桥式起重机的安全运行发挥重要作用。

二﹑研发项目具体方案﹑工作原理

1研发项目具体技术内容及方案

本项目具体技术内容是对传统交流接触器﹑继电器等元器件组成的桥式起重机的绕线式异步电动机转子串联电阻控制技术的调速装置进行创新性改造，研发一套无触点电子调速装置，一种适应高温﹑多粉尘﹑强腐蚀等恶劣环境的桥式起重机高可靠性调速装置。

1）针对传统交流接触器﹑继电器等元器件组成的调速装置存在运动部件多，故障率高，维修复杂且维修成本高的问题，深入开展无触点开关元件在桥式起重机调速装置的应用技术研究：由于无触点电力电子元件类型较多，性能格格等相差较大，为解决调速装置高电压，大电流，环境差，干扰强等应用问题，通过各类型的电子无触点开关进行对比分析，筛选，决定采用双向晶闸管作为调速装置的主控制切换单元，代替原有的接触器。双向晶闸管具有体积小，开断无涌流，开关速度快，工作过程不会产生电火花，工作时无噪音，效率高，寿命长，可靠性好，并且能在高电压﹑大电流条件下工作等优点，同时适应各类工业环境，抗干扰性能好。

2）为降低调速的成本和提高调速装置的可靠性，保证调速装置主要元件可靠稳定运行，为该调速装置研究一种无需保护元件就能实现过流﹑过压保护的调速装置自保护核心技术：该技术主要是通过控制通过晶闸管的电压变化率和上升电流，通过绕线电机本身的电压﹑电流特性，结合调速电阻的电流限制特性来实现调速装置的自限流技术，该技术首次实现无自动开关﹑无熔断器﹑无电抗器线圈﹑无电容器等保护元件，同时具有自动限制非正常电流功能，可自动限制电机起动时的起动电流和电机运行异常时的故障电流。

3）为减少调速装置因为人为操作不当击而引起故障，同时解决桥式起重机操作人员操作手柄多，档位多，劳动强度大的问题，研究一套适用桥式起重机调速的自动换档技术：也就是研究一套档位时序控制系统，要求是一要受温度﹑振动影响小；二是计时要准确，且时间容易调节；三是三相要同步。主要方案是采用RC电子延时电路控制技术实现调速装置的自动换档控制，该电路利用RC电路稳定可靠的充放电特性，配合必要的辅助元器件如微型继电器构成调速装置自动换档控制器，实现调速装置自动档位控制。

4）为保证调速装置双向晶闸管的有效导通和可靠关断，并适应恶劣的环境情况，研究设计能简化触发信号控制系统的双向晶闸管触发技术：主要是在现有晶闸管触发技术基础上研究简单高效的双向晶闸管强触发技术，即通过对双向晶闸管触发特性的研究，合理设计晶闸管触发电路，该电路要与前面的自动换档技术相结合，即充分利用微型继电器作为触发信号控制元件，利用双向晶闸管一三象限触发效果最优特点，实现晶闸管Ⅰ+和Ⅲ-触发，实现双向晶闸管全波形导通，保证调速置可靠稳定运行。

5）为更直观地显示调速装置的运行状态，方便检验和检修作业，为调速装置研究故障可视信号技术：主要内容是在关键的时序控制回路中增加运行标示信号，即自动调速时每一档位都能直观显示出来，主要方案是在强触发微型继电器内增加发光二极管，当晶闸管触发时，发电二极管发光指示动作情况。调速装置实现故障点可视化设计，从而提高了桥式起重机检验效率。

2调速装置的组成及原理图

由于双向晶闸管能具有体积小，开断无涌流，开关速度快，不会产生电火花，工作时无噪音，效率高，寿命长，可靠性好，并且能在高电压﹑大电流条件下工作等优点，同时电子式延时控制系统技术先进，运行可靠稳定，对环境粉尘等适应能力强，抗干扰性能好，控制方便，使用灵活，因此利用晶闸管无触点开关技术﹑无保护元件的自动限制非正常电流技术及自动延时换档强触发技术构成的桥式起重机调速装置，可为频繁起动的绕线式异步电动机工作的可靠性提供保证。采用上述技术的桥式起重机调速装置，具有响应快，控制系统运行可靠性和稳定性强，在起动和运行过程中无噪音，调速装置本身不会短路，故障率大大降低，基本实现了免维护。具体电气控制主回路和控制回路原理图如图1和图2所示：

图中： KA11～KA22为过电流继电器。KA9为失压继电器，起零位保护功能，防止主电源合闸时电动机误起动，造成事故。KM1，KM3分别为升降电动机的正反转控制交流接触器；KM2，KM4分别为开闭电动机的正反转控制交流接触器。KA1～KA8分别为直流中间继电器，其中KA1，KA3，KA5控制升降电动机转子回路晶闸管触发导通，KA2，KA4，KA6控制开闭电动机转子回路晶闸管触发导通，电动机起动过程中，其辅助触点依次闭合，通过转子产生的感应电动势相继触发晶闸管导通，使转子串接电阻逐级切除；KA7﹑KA8起晶闸管触发延时保护作用，防止在电动机起动时其转子串接电阻系统故障而导致电机起动异常而烧坏电机等。 C1～C6为极性电容，R1～R6，为电阻，它们共同构成无触点延时系统，与对应直流中间继电器线圈并联，主要起在电动机起动时，控制直流继电器延时释放，从而控制切除转子串接电阻的时间。

3工作原理

1）预备起动：

将主令控制器SA1，SA2均打在中间位置，若KA7和KA8均接通（即直流接触器均吸合，预起动状态），若KA7和KA8不是都接通，需要检查，说明直流接触器没进入预起动状态。动作过程如下：

控制变压器接通→KA1接通→C1充电→KA1-1.KA1-2断开﹑KA1-3闭合→KA3接通→C3充电→KA3-1. KA3-2断开﹑KA3-3闭合→KA5接通→C5充电→KA5-1.KA5-2断开﹑KA5-3闭合→KA7接通→KA7闭合；控制变压器接通→KA2接通→C2充电→KA2-1.KA2-2断开﹑KA2-3闭合→KA4接通→C4充电→KA4-1. KA4-2断开﹑KA4-3闭合→KA6接通→C6充电→KA6-1.KA6-2断开﹑KA6-3闭合→KA8接通→KA8闭合；KA7.KA8闭合→KA9接通→KA9自锁→预备起动

2）正转起动：将主令控制器SA1打在左边位置→SA1-2接通→KM1接通→KM1-1.KM1-2断开→正反转互锁→KA1延时断开→KA1-1.KA1-2闭合→V1.V2导通→C1放电→KA1-3断开→KA3延时断开→KA3-1.KA3-2闭合→V3.V4导通→ C3放电→KA3-3断开→KA5延时断开→KA5-1.KA5-2闭合→V5.V6导通→C5放电→KA5-3断开→KA7延时断开→电动机转子电阻切换完毕。

3）反转起动：将主令控制器SA1打在右边位置为KM3动作，其原理与正转起动相同。

三﹑项目的特色和创新点

1本调速装置的创新点：

1）具有高可靠性，不需要安装自动开关﹑熔断器﹑电抗器线圈﹑电容器等保护元件，即可实现过流过压保护功能。

2）具有自动限制非正常电流功能，可自动限制电机起动时的起动电流和电机运行异常时的故障电流。

3）采用晶闸管强触发技术，确保开关元件的有效导通和可靠关断。

图1 电气控制主回路原理图

4）主要元器件采用无触点化﹑故障点可视化设计，实现了检查检验目测化。

2项目特色：

1）调速装置采用先进的自动控制方案，根据桥式起重机运行控制情况结合现场实际条件，独创一套完善的自动控制改造方案，主要由双向晶闸管﹑自动化仪表﹑现场设备组成，通过电气改造实现自动调速和高效稳定运行。

2）能彻底解决桥式起重机在高温﹑多粉尘﹑腐蚀等恶劣环境下可靠安全运行的需求，适应桥式起重机频繁操作的应用要求，可以帮助桥式起重机使用企业降低维修成本，提高生产效率。

3）采用无触点电子开关作为调速装置的主控制单元，该技术的核心为创新的无自动开关﹑无熔断器﹑无电抗器线圈﹑无电容器等保护元件的具有自动限制非正常电流功能的控制方案，可彻底解决频繁操作交流接触器引起的弧光闪烁，触点拉弧烧伤，电气短路问题，以及在工作时经常发生交流接触器主触点接触不良，引起转子电阻不平衡，电动机振动大﹑发热严重，电机烧坏，备品备件消耗量大的问题。

4）采用无触点延时技术，很好地解决系统控制精度差，运行不稳定现象，提高了操作人员的安全性和生产设备运行的可靠性。

5）利用强触发技术确保开关元件的有效导通和可靠关断，既保证了触发的可靠性，又优化了触发电路，有效解决了双向晶闸管在工作时正反两个方向的触发灵敏度不同，可能会出现的正负电流波形不对称和直流分量等问题。

6）采用新型电力电子技术有效避免了交流接触器铁芯接合面脏污，接合面未对好，交流铁芯吸合时噪声过大，接触器铁芯滞磁，断开动作迟缓，接点黏接烧损，接触器线圈烧损，电阻器发热烧断，抓斗摆动碰撞车厢等故障，从而可实现系统运行的本质安全性，大大提高了设备检修和检验人员的安全系数。

7）由于实现主要元器件无触点化﹑布线简单化和故障点可视化设计，提高了桥式起重机检验效率，调速装置的检验更加方便，也更加安全，使得检验机构出具的检验报告更经得起时间的考验。

结论

图2 电气控制控制回路原理图

本调速装置实现了故障点可视化设计﹑主要元器件无触点化﹑布线简单化设计，解决了桥式起重机定期检验时易出现检不出﹑检不快﹑检不准的问题，在检验过程中，无需辅助的仪器设备进行检测，通过目测可进行准确检验。

调速装置的成功研发，有效解决了长期困扰广东广业云硫矿业有限公司内桥式起重机对物料的转运﹑装车时故障率高﹑维修成本大﹑可靠性与连续性差﹑安全隐患大等难题，同时，可进行技术转让或与有生产能力的企业进行技术合作，其市场价值在300万以上，如果实现产业化生产和应用，则可提升桥式起重机行业的技术水平。

[1]傅德源．实用起重机电气技术手册[M]．北京：机械工业出版社，2002．

[2]康华光．电子技术基础．模拟部分[M]．北京：高等教育出版社，2006（1）．

[3]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000．

[4]赵可斌，陈国雄．电力电子变流技术[M]．上海：上海交通大学出版社，1993．

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