廖志雄吳韓輝楊小明羅慶祝徐彥飛程新華

（1．廣東省云浮市特種設(shè)備檢驗所，廣東 云浮 527343； 2．廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司 廣東 云浮 527300）

一種適應(yīng)惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調(diào)速裝置的研發(fā)

廖志雄1吳韓輝2楊小明1羅慶祝2徐彥飛2程新華1

（1．廣東省云浮市特種設(shè)備檢驗所，廣東 云浮 527343； 2．廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司 廣東 云浮 527300）

本文分析了交流接觸器在抓斗橋式起重機繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串接電阻控制系統(tǒng)中存在故障率高、可靠性差的現(xiàn)象，據(jù)此提出在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)有的控制回路進行無觸點控制改造，實現(xiàn)電機的無觸點延時平滑啟動。通過本次改造，不僅提高了系統(tǒng)控制精度，可靠性和穩(wěn)定性；而且有效解決了抓斗橋式起重機控制系統(tǒng)存在的各種問題，大大降低了抓斗橋式起重機的故障率，減少了維修工時和員工的勞動強度，增加了一定的社會效益和經(jīng)濟效益。

調(diào)速裝置；橋式起重機；研發(fā)；高可靠性

一﹑項目研發(fā)的背景

調(diào)速裝置是橋式起重機極為重要的運行部件，現(xiàn)有的橋式起重機調(diào)速裝置主要由調(diào)速電阻，切換電阻交流接觸器﹑延時切換時間繼電器﹑凸輪控制器等組成，由于整套調(diào)速裝置可動部件多，容易出現(xiàn)失靈，卡死等故障；同時，接觸器需經(jīng)常切換大電流，在運行過程中產(chǎn)生大量電弧和火花，接觸器觸頭容易燒蝕﹑粘結(jié)，從而造成電氣短路，在檢驗過程中，因需檢查調(diào)速裝置及各運行機構(gòu)工作情況和性能，因此在一定程度上對檢修﹑檢驗人員人身安全造成威脅；由于橋式起重機調(diào)速裝置應(yīng)用的環(huán)境差，運行負荷大且不穩(wěn)定，故障率高，橋式起重機的安全性能受調(diào)速裝置的影響較大，橋式起重機安全性能也因此大打折扣，因此根據(jù)企業(yè)應(yīng)用和檢驗所業(yè)務(wù)需求，主要針對廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司礦山﹑磷肥﹑硫酸生產(chǎn)存在多粉塵，強腐蝕環(huán)境下頻繁操作的橋式起重機運行故障率高﹑維修成本大﹑可靠性與連續(xù)性差﹑安全隱患大﹑檢驗過程復(fù)雜繁瑣等問題展開研究，以滿足安全﹑可靠﹑連續(xù)﹑高效生產(chǎn)的實際需要；同時提高檢驗人員的工作效率，降低監(jiān)管壓力，有效提高起重機行業(yè)技術(shù)水平；通過推廣應(yīng)用，可創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益，為促進我國橋式起重機的安全運行發(fā)揮重要作用。

二﹑研發(fā)項目具體方案﹑工作原理

1研發(fā)項目具體技術(shù)內(nèi)容及方案

本項目具體技術(shù)內(nèi)容是對傳統(tǒng)交流接觸器﹑繼電器等元器件組成的橋式起重機的繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻控制技術(shù)的調(diào)速裝置進行創(chuàng)新性改造，研發(fā)一套無觸點電子調(diào)速裝置，一種適應(yīng)高溫﹑多粉塵﹑強腐蝕等惡劣環(huán)境的橋式起重機高可靠性調(diào)速裝置。

1）針對傳統(tǒng)交流接觸器﹑繼電器等元器件組成的調(diào)速裝置存在運動部件多，故障率高，維修復(fù)雜且維修成本高的問題，深入開展無觸點開關(guān)元件在橋式起重機調(diào)速裝置的應(yīng)用技術(shù)研究：由于無觸點電力電子元件類型較多，性能格格等相差較大，為解決調(diào)速裝置高電壓，大電流，環(huán)境差，干擾強等應(yīng)用問題，通過各類型的電子無觸點開關(guān)進行對比分析，篩選，決定采用雙向晶閘管作為調(diào)速裝置的主控制切換單元，代替原有的接觸器。雙向晶閘管具有體積小，開斷無涌流，開關(guān)速度快，工作過程不會產(chǎn)生電火花，工作時無噪音，效率高，壽命長，可靠性好，并且能在高電壓﹑大電流條件下工作等優(yōu)點，同時適應(yīng)各類工業(yè)環(huán)境，抗干擾性能好。

2）為降低調(diào)速的成本和提高調(diào)速裝置的可靠性，保證調(diào)速裝置主要元件可靠穩(wěn)定運行，為該調(diào)速裝置研究一種無需保護元件就能實現(xiàn)過流﹑過壓保護的調(diào)速裝置自保護核心技術(shù)：該技術(shù)主要是通過控制通過晶閘管的電壓變化率和上升電流，通過繞線電機本身的電壓﹑電流特性，結(jié)合調(diào)速電阻的電流限制特性來實現(xiàn)調(diào)速裝置的自限流技術(shù)，該技術(shù)首次實現(xiàn)無自動開關(guān)﹑無熔斷器﹑無電抗器線圈﹑無電容器等保護元件，同時具有自動限制非正常電流功能，可自動限制電機起動時的起動電流和電機運行異常時的故障電流。

3）為減少調(diào)速裝置因為人為操作不當擊而引起故障，同時解決橋式起重機操作人員操作手柄多，檔位多，勞動強度大的問題，研究一套適用橋式起重機調(diào)速的自動換檔技術(shù)：也就是研究一套檔位時序控制系統(tǒng)，要求是一要受溫度﹑振動影響??；二是計時要準確，且時間容易調(diào)節(jié)；三是三相要同步。主要方案是采用RC電子延時電路控制技術(shù)實現(xiàn)調(diào)速裝置的自動換檔控制，該電路利用RC電路穩(wěn)定可靠的充放電特性，配合必要的輔助元器件如微型繼電器構(gòu)成調(diào)速裝置自動換檔控制器，實現(xiàn)調(diào)速裝置自動檔位控制。

4）為保證調(diào)速裝置雙向晶閘管的有效導(dǎo)通和可靠關(guān)斷，并適應(yīng)惡劣的環(huán)境情況，研究設(shè)計能簡化觸發(fā)信號控制系統(tǒng)的雙向晶閘管觸發(fā)技術(shù)：主要是在現(xiàn)有晶閘管觸發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)上研究簡單高效的雙向晶閘管強觸發(fā)技術(shù)，即通過對雙向晶閘管觸發(fā)特性的研究，合理設(shè)計晶閘管觸發(fā)電路，該電路要與前面的自動換檔技術(shù)相結(jié)合，即充分利用微型繼電器作為觸發(fā)信號控制元件，利用雙向晶閘管一三象限觸發(fā)效果最優(yōu)特點，實現(xiàn)晶閘管Ⅰ+和Ⅲ-觸發(fā)，實現(xiàn)雙向晶閘管全波形導(dǎo)通，保證調(diào)速置可靠穩(wěn)定運行。

5）為更直觀地顯示調(diào)速裝置的運行狀態(tài)，方便檢驗和檢修作業(yè)，為調(diào)速裝置研究故障可視信號技術(shù)：主要內(nèi)容是在關(guān)鍵的時序控制回路中增加運行標示信號，即自動調(diào)速時每一檔位都能直觀顯示出來，主要方案是在強觸發(fā)微型繼電器內(nèi)增加發(fā)光二極管，當晶閘管觸發(fā)時，發(fā)電二極管發(fā)光指示動作情況。調(diào)速裝置實現(xiàn)故障點可視化設(shè)計，從而提高了橋式起重機檢驗效率。

2調(diào)速裝置的組成及原理圖

由于雙向晶閘管能具有體積小，開斷無涌流，開關(guān)速度快，不會產(chǎn)生電火花，工作時無噪音，效率高，壽命長，可靠性好，并且能在高電壓﹑大電流條件下工作等優(yōu)點，同時電子式延時控制系統(tǒng)技術(shù)先進，運行可靠穩(wěn)定，對環(huán)境粉塵等適應(yīng)能力強，抗干擾性能好，控制方便，使用靈活，因此利用晶閘管無觸點開關(guān)技術(shù)﹑無保護元件的自動限制非正常電流技術(shù)及自動延時換檔強觸發(fā)技術(shù)構(gòu)成的橋式起重機調(diào)速裝置，可為頻繁起動的繞線式異步電動機工作的可靠性提供保證。采用上述技術(shù)的橋式起重機調(diào)速裝置，具有響應(yīng)快，控制系統(tǒng)運行可靠性和穩(wěn)定性強，在起動和運行過程中無噪音，調(diào)速裝置本身不會短路，故障率大大降低，基本實現(xiàn)了免維護。具體電氣控制主回路和控制回路原理圖如圖1和圖2所示：

圖中： KA11～KA22為過電流繼電器。KA9為失壓繼電器，起零位保護功能，防止主電源合閘時電動機誤起動，造成事故。KM1，KM3分別為升降電動機的正反轉(zhuǎn)控制交流接觸器；KM2，KM4分別為開閉電動機的正反轉(zhuǎn)控制交流接觸器。KA1～KA8分別為直流中間繼電器，其中KA1，KA3，KA5控制升降電動機轉(zhuǎn)子回路晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，KA2，KA4，KA6控制開閉電動機轉(zhuǎn)子回路晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，電動機起動過程中，其輔助觸點依次閉合，通過轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢相繼觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，使轉(zhuǎn)子串接電阻逐級切除；KA7﹑KA8起晶閘管觸發(fā)延時保護作用，防止在電動機起動時其轉(zhuǎn)子串接電阻系統(tǒng)故障而導(dǎo)致電機起動異常而燒壞電機等。 C1～C6為極性電容，R1～R6，為電阻，它們共同構(gòu)成無觸點延時系統(tǒng)，與對應(yīng)直流中間繼電器線圈并聯(lián)，主要起在電動機起動時，控制直流繼電器延時釋放，從而控制切除轉(zhuǎn)子串接電阻的時間。

3工作原理

1）預(yù)備起動：

將主令控制器SA1，SA2均打在中間位置，若KA7和KA8均接通（即直流接觸器均吸合，預(yù)起動狀態(tài)），若KA7和KA8不是都接通，需要檢查，說明直流接觸器沒進入預(yù)起動狀態(tài)。動作過程如下：

控制變壓器接通→KA1接通→C1充電→KA1-1.KA1-2斷開﹑KA1-3閉合→KA3接通→C3充電→KA3-1. KA3-2斷開﹑KA3-3閉合→KA5接通→C5充電→KA5-1.KA5-2斷開﹑KA5-3閉合→KA7接通→KA7閉合；控制變壓器接通→KA2接通→C2充電→KA2-1.KA2-2斷開﹑KA2-3閉合→KA4接通→C4充電→KA4-1. KA4-2斷開﹑KA4-3閉合→KA6接通→C6充電→KA6-1.KA6-2斷開﹑KA6-3閉合→KA8接通→KA8閉合；KA7.KA8閉合→KA9接通→KA9自鎖→預(yù)備起動

2）正轉(zhuǎn)起動：將主令控制器SA1打在左邊位置→SA1-2接通→KM1接通→KM1-1.KM1-2斷開→正反轉(zhuǎn)互鎖→KA1延時斷開→KA1-1.KA1-2閉合→V1.V2導(dǎo)通→C1放電→KA1-3斷開→KA3延時斷開→KA3-1.KA3-2閉合→V3.V4導(dǎo)通→ C3放電→KA3-3斷開→KA5延時斷開→KA5-1.KA5-2閉合→V5.V6導(dǎo)通→C5放電→KA5-3斷開→KA7延時斷開→電動機轉(zhuǎn)子電阻切換完畢。

3）反轉(zhuǎn)起動：將主令控制器SA1打在右邊位置為KM3動作，其原理與正轉(zhuǎn)起動相同。

三﹑項目的特色和創(chuàng)新點

1本調(diào)速裝置的創(chuàng)新點：

1）具有高可靠性，不需要安裝自動開關(guān)﹑熔斷器﹑電抗器線圈﹑電容器等保護元件，即可實現(xiàn)過流過壓保護功能。

2）具有自動限制非正常電流功能，可自動限制電機起動時的起動電流和電機運行異常時的故障電流。

3）采用晶閘管強觸發(fā)技術(shù)，確保開關(guān)元件的有效導(dǎo)通和可靠關(guān)斷。

圖1 電氣控制主回路原理圖

4）主要元器件采用無觸點化﹑故障點可視化設(shè)計，實現(xiàn)了檢查檢驗?zāi)繙y化。

2項目特色：

1）調(diào)速裝置采用先進的自動控制方案，根據(jù)橋式起重機運行控制情況結(jié)合現(xiàn)場實際條件，獨創(chuàng)一套完善的自動控制改造方案，主要由雙向晶閘管﹑自動化儀表﹑現(xiàn)場設(shè)備組成，通過電氣改造實現(xiàn)自動調(diào)速和高效穩(wěn)定運行。

2）能徹底解決橋式起重機在高溫﹑多粉塵﹑腐蝕等惡劣環(huán)境下可靠安全運行的需求，適應(yīng)橋式起重機頻繁操作的應(yīng)用要求，可以幫助橋式起重機使用企業(yè)降低維修成本，提高生產(chǎn)效率。

3）采用無觸點電子開關(guān)作為調(diào)速裝置的主控制單元，該技術(shù)的核心為創(chuàng)新的無自動開關(guān)﹑無熔斷器﹑無電抗器線圈﹑無電容器等保護元件的具有自動限制非正常電流功能的控制方案，可徹底解決頻繁操作交流接觸器引起的弧光閃爍，觸點拉弧燒傷，電氣短路問題，以及在工作時經(jīng)常發(fā)生交流接觸器主觸點接觸不良，引起轉(zhuǎn)子電阻不平衡，電動機振動大﹑發(fā)熱嚴重，電機燒壞，備品備件消耗量大的問題。

4）采用無觸點延時技術(shù)，很好地解決系統(tǒng)控制精度差，運行不穩(wěn)定現(xiàn)象，提高了操作人員的安全性和生產(chǎn)設(shè)備運行的可靠性。

5）利用強觸發(fā)技術(shù)確保開關(guān)元件的有效導(dǎo)通和可靠關(guān)斷，既保證了觸發(fā)的可靠性，又優(yōu)化了觸發(fā)電路，有效解決了雙向晶閘管在工作時正反兩個方向的觸發(fā)靈敏度不同，可能會出現(xiàn)的正負電流波形不對稱和直流分量等問題。

6）采用新型電力電子技術(shù)有效避免了交流接觸器鐵芯接合面臟污，接合面未對好，交流鐵芯吸合時噪聲過大，接觸器鐵芯滯磁，斷開動作遲緩，接點黏接燒損，接觸器線圈燒損，電阻器發(fā)熱燒斷，抓斗擺動碰撞車廂等故障，從而可實現(xiàn)系統(tǒng)運行的本質(zhì)安全性，大大提高了設(shè)備檢修和檢驗人員的安全系數(shù)。

7）由于實現(xiàn)主要元器件無觸點化﹑布線簡單化和故障點可視化設(shè)計，提高了橋式起重機檢驗效率，調(diào)速裝置的檢驗更加方便，也更加安全，使得檢驗機構(gòu)出具的檢驗報告更經(jīng)得起時間的考驗。

結(jié)論

圖2 電氣控制控制回路原理圖

本調(diào)速裝置實現(xiàn)了故障點可視化設(shè)計﹑主要元器件無觸點化﹑布線簡單化設(shè)計，解決了橋式起重機定期檢驗時易出現(xiàn)檢不出﹑檢不快﹑檢不準的問題，在檢驗過程中，無需輔助的儀器設(shè)備進行檢測，通過目測可進行準確檢驗。

調(diào)速裝置的成功研發(fā)，有效解決了長期困擾廣東廣業(yè)云硫礦業(yè)有限公司內(nèi)橋式起重機對物料的轉(zhuǎn)運﹑裝車時故障率高﹑維修成本大﹑可靠性與連續(xù)性差﹑安全隱患大等難題，同時，可進行技術(shù)轉(zhuǎn)讓或與有生產(chǎn)能力的企業(yè)進行技術(shù)合作，其市場價值在300萬以上，如果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用，則可提升橋式起重機行業(yè)的技術(shù)水平。

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