关键词：起重机;传动控制系统;控制方式;控制方案
XU Wei-Feng
Abstract: Crane has become indispensable for many businesses one of the devices, is the realization of the production process of mechanization and automation to reduce the heavy manual labor, increase productivity and to achieve safe production of major equipment. The crane‘s control system is also driving the growth of technology and development, technology innovation, as well as the requirements of the characteristics of its own cranes, there was a wide range of transmission control systems, which control a variety of ways with a variety of programs to control the appearance.
Key words: crane;control system;control transmission;control of the program
一、概述
起重机是使挂在起重吊钩或其他取物装置上的重物在三维空间实现起升、下降和水平位移的起重机械。而其重物的升降及移动是通过起重机的传动控制系统驱动起重机各传动机构来实现，起重机的传动控制系统主要包括传动控制方式和传动控制方案。一般任何一个传动控制系统的控制方式和控制方案都要根据起重机各传动机构的负载特点、使用条件和调速要求而设计。因此，桥门式起重机（以下简称起重机）的传动控制系统，即其控制方式与控制方案出现了多种多样。
二、起重机的传动控制方式
起重机的传动控制方式一般按起重机传动控制系统对操作性能和方法的要求、以及操作装置形式和位置等来选择。其控制方式主要采用操作室控制、地面有线控制、无线控制等方式。
1、 操作室控制方式
操作室控制方式是操作人员通过操作室内的控制操作件，对起重机各传动机构电机的起动、调速、制动和换向进行控制，实现重物的升降及移动。操作室控制方式一般有四种主要的控制操作件，分别为按钮控制盒、凸轮控制器、联动控制器、以及工业用计算机。
1）、按钮控制盒的控制面板上设有控制按钮、控制开关及指示灯等控件，可以单独对起重机进行控制，也可以与凸轮控制器或联动控制器相接合对起重机进行控制。
2）、凸轮控制器是指按照预定顺序转换主电路及控制电路的接线以及变更电路中参数，来控制电机的起动、调速、制动和换向的控制操作件。凸轮控制器分三部分：操纵机构部分、凸轮和触头系统部分和壳体部分，其操纵手柄，为避免由于起重机震动和意外碰撞使操纵机构误动作，该手柄带有零位自锁装置。
但一个凸轮控制器一般只能控制一个传动机构或二个相同功能的传动机构，所以需要控制三个及以上以上的传动机构时，就需要有多个凸轮控制器控制起重机各传动机构，使得操作复杂，易使操作人员产生疲劳。
3）、联动控制器是在凸轮控制器动作原理的基础上，为改善操作简便，根据人机工程原理，将各传动机构的控制集中到联动控制器左、右两个控制箱内，通过联动控制手柄实现对起重机各传动机构的操作，也可实现对双传动机构联动操作。同时，联动控制器的左、右控制箱的控制面板上也可以设控制按钮、控制开关及指示灯等控件，与联动控制手柄结合进行控制。
4）、工业用计算机是针对于采用先进的控制方案（如变频技术与PLC控制技术相接合的控制方案）而使用的新型控制方式，其通过计算机软硬件、计算机网络，对控制系统进行远程控制。但由于起重机为特种设备，而环境和震动条件的限制，对工业用计算机的使用要求非常严格。
2、地面有限控制方式
地面有限控制方式是操作人员在地面对起重机的悬挂式控制装置上的按钮、开关等操作元件控制，通过悬挂式通信电缆的信号传输，对起重机各传动机构电机的起动、调速、制动和换向进行控制，实现所有传动机构的动作。
但地面有限控制装置中的电源不应超过250V。控制装置外壳的材料采用完全绝缘的或者是有绝缘保护层的材料，对于金属外壳或直接能触摸到的金属零件要单独接地。悬挂控制装置应采取有效的悬挂承重初时，以防止电缆在悬挂状态时受拉伸。地面有限控制方式的起重机，对起重机的大小车运行机构速度有严格的要求，其空载速度不超过50m/min，以确保操作人员的安全。
3、无线控制方式
无线控制方式是指不采用通讯电缆等导体进行信号传输，而是采用无线电、红外光等信道，跨越一段空间距离对机械设备进行远程控制的方式，其无线控制方式的控制装置主要分红外遥控和无线电遥控两种装置，在起重机中常采用无线电遥控装置。
由于起重机无线控制方式具有节约人员，提高工作效率及提高作业准确性的优点，特别是在有毒气、高温、多粉尘和危险环境工作的起重机，所以采用无线控制方式，可以大大改善作业条件，有效的保护人身安全。但起重机无线控制方式采用的无线遥控装置必须具有故障自诊断功能，在任何非正常工作状态下能实现自动关闭，停止工作;以及具有抗同频干扰信号的能力，受同频干扰时不出现误动作，同时还应同时满足国家、国际有关安全规程规定的要求。
4、多点控制方式
因起重机操作性能和方法的要求不同、操作环境的不一样，以及冗余控制方式的考虑，对起重机需采用多点控制方式。如操作控制方式与地面有线控制方式相结合，或地面有线控制方式与无线控制方式相结合，或三种控制方式相接合，对起重机进行多点控制。但起重机采用多点控制方式时，应注意各控制方式间应相互联锁，任一时刻只允许一控制方式工作，每一控制方式均应装设紧急断电装置。
三、起重机的传动控制方案
起重机传动控制系统中的控制方案主要是根据起重机各传动机构负载的特点、工作状况、调速要求等因素来设计，其最关键就是调速控制设计。起重机控制方案可分为直流传动控制方案和交流传动控制方案，而现在起重机常采用交流传动控制方案，只有在特殊要求或仅有直流电源情况下，采用直流传动控制方案。
1、起重机交流传动控制方案
现起重机交流传动机构电机一般都采用三相异步电机，而根据三相异步电机的控制原理，可以通过改变电机的极对数、或改变电机的转差率、以及改变电机的供电频率来实现调速功能，以满足起重机传动控制。所以，起重机交流传动控制方案一般采用变极控制、变转差率控制、以及变频控制等方案。
1）、变极控制方案
变极控制方案是指利用改变起重机传动机构电机定子绕组线圈间的连接，使电机的极对数发生变化，来实现调速控制的目的。通常这种控制方案只适用起重机传动机构电机为笼型电机的情况。
2）、变转差率控制方案
由于变转差率控制的工作原理多种多样，所以在起重机传动控制方案中有改变转子外串电阻控制、定子调压控制、晶闸管串级控制、以及合成特性控制等方案。
改变转子外串电阻控制方案是最简单的控制方案，在过去的起重机传动控制中常被采用，但其控制方案能耗大、调速范围小、性能差、以及功率因数低等原因，是变转差率控制方案中最差的。
定子调压控制方案是指通过调节电机定子电压使电磁转矩产生变化，在一定的负载转矩下可使电机转速改变，从而满足起重机传动机构的控制。这种控制方案一般采用定子绕组串接可调阻抗、串接自耦变压器和串接晶闸管调压器等方法。而现起重机定子调压控制常采用的是定子串接晶闸管调压器，因为这种方法具有主接线简单，元件较少而性能可靠。但定子调压控制方案由于其调速范围不大，调速引起的损耗随转速的降低而增大，因此，只适用于调速要求不高、不经常在低速下运行的负载。
晶闸管串级控制方案是变转差率控制方案中效率最高的一种，它可以将转差能量回馈给电网，适用于低速运行时间较长、低速值又需调整的场合。其工作原理是在交流绕组式异步电机转子绕组中，外加附加电动势，通过调节附加电动势值进行电机调速。但这种控制方案的缺点是逆变器及其他附加设备较复杂，维修不方便，同时用于起升机构时，空载下降与中、重载下降所有线路不同，给使用也带来不便。
合成特性控制方案也可以分为双电机控制、液压推动器控制、以及涡流制动器控制。其控制方案的特性由二部分组成，即处于电动状态的传动机构电机和处于制动状态的涡流制动器（也可是电机或液压推动器）二部分。当控制调速时，对不同负载，处于电动状态的电机输出转矩近似不变，满载时，处于制动状态部分的制动转矩较小，轻载时，制动转矩较大。因此轻载时，处于电动状态的电机损耗与满载时相近，再加上制动状态部分的制动损耗，故效率最低。合成特性中，以涡流制动器控制采用较多，其次为液压推动器控制。
3）、变频控制方案
变频控制方案是指通过变频器改变供电电源频率，来调节电机同步转速，实现恒功率或恒转矩调速控制，以适应不同负载的要求。但当供电电源频率f小于电动机的额定工作频率内变化时，因电机电压
（式中：E1-感应电动势、f-供电电源频率、w—串联匝数、 k—绕组系数、φ-电机的磁通），只有维持U/f为常数，才能保证电机的磁通φ不变，保证电动机的性能不变。而当供电电源频率f大于电动机的额定工作频率时，电动机转速超过额定转速，若仍维持U/f为常数，端电压U将超过电动机额定电压，这是不允许的，因此，在实现额定转速以上的调速时，应保持电源电压不变并为额定值，仅使供电电源频率f增加，电动机磁通φ将减少，输出转矩也将随之下降，而输出功率近似恒定。
在变频控制方案中，所用变频器的控制模式有V/f协调控制、转差频率控制、矢量控制、直接转矩控制等模式。而其变频器的分类方法有多种，按照主电路工作方式分类，可以分为电压型变频器和电流型变频器;按照开关方式分类，可以分为PAM控制变频器、PWM控制变频器和高载频PWM控制变频器;按照用途分类，可以分为通用变频器、高性能专用变频器、高频变频器、单相变频器和三相变频器等。变频控制方案由于效率高、调速控制范围宽、控制精度高、起动/制动平稳且冲击小、电机功率因数高、以及节约电能等优点，是目前起重机控制方案中最佳的控制方案。
但为了防止变频控制对外界的干扰和对自身的保护、以及提高电机控制的精度，一般在变频器周围配有AC/DC电抗器、制动单元及制动电阻、滤波器及传输卡件等。
同时，变频控制技术可与新型PLC控制技术相结合,采用现场总线或工业以太网以及无线通讯技术，通过人机界面（如触摸屏）设备、及时反映起重机的运行情况和故障报警，使其控制系统可靠稳定、应用灵活、线路简单、故障率低、以及便于使用。
四、结束语
随着科技的发展、技术的创新，将加速起重机控制技术向计算机、微电子、自动控制、通讯等领域的发展，最终达到领先于国外先进水平。由此，起重机传动控制方式和控制方案会向更新和更好得趋势发展，使得整个传动控制系统的性能更加可靠稳定、应用更灵活，效率高、故障低等优势。
参考文献
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