负反馈控制系统在桥式起重机改造中的应用

摘要：交流调速系统的成本和硬件要求较高，使其在传统结构桥式起重机上的改造应用受到一定限制。负反馈控制系统能够较好地解决上述问题，从而为桥式起重机的改造提供新的思路和途径。本文主要探讨了负反馈控制系统在桥式起重机改造中的应用。

关键词：桥式起重机；负反馈控制系统；改造

中图分类号：TH21 文献标识码：A

我国目前在用的桥式起重机数量巨大，其中采用传统结构形式的占到70%以上。随着使用年限的增加，以及国家节能减排发展战略的实施，这类产品能耗大、损耗快的缺点也日益显现出来。如何对这些起重机械进行改造，成为一个对行业和企业都非常重要的课题。

采用以变频器技术为代表的交流调速系统，是西方发达国家起重机械技术进步的一个标志。基于经济性考虑，国内企业仍在大量使用传统结构桥式起重机。如果直接套用变频控制系统，不但要对控制系统进行改造，相应地还要对运行机构和驱动电机进行改造，成本较高。如果只更换变频控制系统，那么就无法完全发挥交流调速系统的优点，而且可靠性大大降低。

负反馈控制系统则相对结构简单，尤其是电气部分大为简化，很大程度上可以直接借用现有的电气回路进行施工。不但便于维护，而且适应性高，对于国内企业的操作和维修人员易于接受和推广。

一、负反馈控制系统的原理

反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。

反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。

反馈控制系统

图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以电动机控制为例，受控对象为电动机；输出变量为实际的电机转速;；输入变量为给电流，一般用电压表示。电机转速用传感器测量，通过与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。

若反馈信号与输入信号极性相同或变化方向同相，则两种信号混合的结果将使放大器的净输入信号大于输出信号，这种反馈叫正反馈。正反馈主要用于信号产生电路。反之，反馈信号与输入信号极性相反或变化方向相反（反相），则叠加的结果将使净输入信号减弱，这种反馈叫负反馈。放大电路和自动控制系统通常采用负反馈技术以稳定系统的工作状态。

从放大器的输出端看，反馈网络要从放大器的输出信号中取回反馈信号，通常有两种取样方式。按取样方式的不同，反馈分为电压反馈和电流反馈：电压反馈的反馈信号取自输出电压或者输出电压的一部分；电流反馈的反馈信号取自 输出电流或者输出电流的一部分。

二、电机调速技术的实质

起重机械的实际驱动机构就是各种型号的三相异步电动机。操作意义上的“档位”实质上就是通过改变输入，改变三相异步电动机的输出，从而完成不同程度的动作。

按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子异步电动机的转子在每个槽中放有一根导体（材料为铜或铝），导体比铁芯长，在铁芯两端用两个端环将导体短接，形成短路绕组。若将铁芯去掉，剩下的绕组形状似松鼠笼子，故称鼠笼式绕组。主要优点是结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜；主要缺点是调速困难。而绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。目前在起重机械上广泛使用YZR、YZ系列电动机分别是绕线转子三相异步电动机和鼠笼转子三相异步电动机。

异步电机的调速方式主要有以下四种：调压调速，变极调速，变频调速，电磁调速。所以，不管是采用交流凸轮控制器，还是采用联动控制器，起重机械电机调速的实质都是调压调速。而调压调速可以将调速过程中产生的转差能量加以回馈利用的优点，可以很好地配合负反馈系统。

负反馈控制系统在改造工程中的应用

综上所述，针对传统起重机调速技术，导入负反馈控制系统的途径可以分为以下三种：

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，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。在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。

起重机械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。针对这些特点，采用负反馈控制时必须解决以下关键技术。

1、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。这就要求负反馈控制系统的精度必须达到要求，否则信号衰减太大，控制系统就会失去作用。

2、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。这就要求负反馈控制系统的反应时间必须达到要求，主要是要求系统延迟必须控制在电磁制动器的动作时间内，从而保证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停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜钩。

3、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两种方式：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。起重机械负反馈控制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，以保证再生制动能量的迅速释放。

结语：总之，负反馈控制系统可靠性高，经济性强，与现有起重机械电气系统和运行机构的适应性更好，值得在传统形式桥式起重机的改造过程中大力推广应用。

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