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fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:15

PLC和变频器在空压机节能改造中的应用

空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备（风机、水泵、锅炉、空压机等）耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源；异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命，压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大；工作条件恶劣，噪音大；自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。　　    针对以上存在的问题，设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:15

2 空压机变频改造原理A)m7Nb!H4?y4Qg
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　　2.1 空压机的工作原理n-]yBH0a!y

i4F3[E(?sg 　　   螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空 气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，高效的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的最小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器 （空气冷却装置）进行冷却而进入储气罐。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:16

2.2 空压机变频节能原理;T:V)]&J `U5?

;Vl N#{ a+A 　　    螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理图如图2所示。
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Y1l!R*uZ|LpN;u 　　原理如下：通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:16

2.3变频改造注意事项 [k UC ?
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　　(1)  空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保证设备可靠稳定的运行。bi7PmW)i@7r

X"x{2\(m0_tv 　　(2)  空压机不允许长时间在低频下运行，空压机转速过低，一方面使空压机稳定性变差，另一方面也使缸体润滑度变差，会加快磨损。所以工作下限应不低于20Hz。L8mF0NNk
c~Z j0nzY2f3DLM"c
　　(3)  建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。
0N1zE'e.V L-Z
%|M.W[FN\ 　　(4)  为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音，提高电机的稳定性。
m0zNL*Rx !H!?*HeZ/N#XS
　　(5)  设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:16

3  基于PLC的空压机变频控制系统
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/E[Wg PDc,Y 　　3.1系统原理设计
w~|$~9qr(`;w*Z/O Y'^B[*vG{st
　　   控制系统由以下部分组成：变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器、接触器、空气开关、电缆、电流表、电压表、按钮、互感器等。%JXj+B#M@
#@1y/Bi Xw3vr
　　   基于PLC的变频控制系统原理图如图3所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块、开关量输入、输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分：起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。CPm4B*m us%_

1k+P [$YNt'k 　　起动：以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。
uk @,e!Rz"cQ.M
J8R;I:n.y+qD 　　运行：正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器检测管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。
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　　停止：按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。
0pt*fxE-t(k w
N){ERl+`+` 　　切换：实现M1，M2工频、变频相互切换。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:17

报警及故障自诊断：g)s%y2}l

3Z3I(yIaEA { h 　　    空压机内部一般有四个需要监测的量：冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。'v
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4nI K"t)@ 　　3.2案例分析JA t#wr
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　　   以某厂房空压机为例。改造前经测试参数如下：电机功率110KW，出口压力为5.9~6.5MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15秒，减载时间15秒；加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量（按30%）计算如下：KW3HF9x9F]c"O

,e-BTtw[ 　　W节电量=12×320×110×30%=1.27×105（kWh）l%P8T/A2ls.c2tN

J_p o I1H;rg Xb 　　    可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点。首先，减少了机器的噪音。利用PLC和变频器实现了机器的软启动、软停止，避免了空压机启动时对电网的冲击，减少了对设备的维修量。其次，两套控制回路可保证系统的正常、安全运行。最后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。@ ]\Z3hN,M
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　　4   结束语

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:17

利用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案实验结果表明，改造后系统具有节约能源，自动化程度高，降低原系统噪音，减少设备维修量等优点，具有深入研讨的实用价值。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:18

PLC与变频器控制的自动恒压供水系统
x7O!W*c!Qn4g'] 1 系统简介
1qA5] e2RG;N Pg NY]S~`)Y
　　    为改善生产环境，沱牌公司投资清洁水技改工程并建成一座日产水2.5万顿的供水系统，分别建设了抽水泵系统、加压泵系统和高位水池。根据公司用水需求特点，从抽水泵系统过来的水一部分直接供给生产用水部门，一部分则需通过加压泵输送到高位水池，而供给生产用水部门的水压与供给高位水池的水压相差较大。同时高位水池距抽水泵房较远达十多公里，高位水池的液位高低和加压泵系统的设计以及如何与抽水泵系统“联动”也是较难解决的。
6u"T7sg&Y/O};KZ]
&Jd8H4yTHLD 　　    鉴于以上特点，从技术可靠和经济实用角度综合考虑，我们设计了用PLC控制与变频器控制相结合的自动恒压控制供水系统，同时通过主水管线压力传递较经济地实现了加压泵系统与抽水泵系统“远程联动”的控制目的。
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&~DkJ)kT 　　2 系统方案

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:18

系统主要由三菱公司的PLC控制器、ABB公司的变频器、西安西驰CMC软启动器、电机保护器、数据采集及其辅助设备组成。  
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3V1On1H@0stE L 　　2.1 抽水泵系统
9sR7T*tM:V|&abL6A"E
pD4bGu 　　    整个抽水泵系统有150KW深井泵电机四台，90KW深井泵电机两台，采用变频器循环工作方式，六台电机均可设置在变频方式下工作。采用一台150KW和一台90KW的软起动150KW和90KW的电机。当变频器工作在50HZ，管网压力仍然低于系统设定的下限时，软起动器便自动起动一台电机投入到工频运行，当压力达到高限时，自动停掉工频运行电机。 9r.i O3}s2` |"v/^

X9Wz Z9E\ L 　　    系统为每台电机配备电机保护器，是因为电机功率较大，在过载、欠压、过压、过流、相序不平衡、缺相、电机空转等情况下为确保电机的良好使用条件，达到延长电机的使用寿命的目的。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:18

系统配备水位显示仪表，可进行高低位报警，同时通过PLC可确保取水在合理水位的水质监控，同时也保护电机制正常运转工况。 fX~q_%L1Hm/[

|%I)JC7K.JF8I{f 　　    系统配备流量计，既能显示一段时间的累积流量，又能显示瞬时流量，可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。
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'`%WU T W5E!R 　　2.2 公司内不同压力供水需求的解决 8nOp5iK R?2We
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　　    为稳定可靠地满足公司内部分区域供水太力（0.4~0.45Mpa）低于主管网水压力（0.8~0.9Mpa）的要求，配备稳压减压阀来调节，可调范围为0.1~0.8Mpa。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:19

2.3 加压泵系统 $G@5v1\\:EF

#z'[v7hO Q 　　    由于抽水泵房距离高位水池较远，直接供水到高位水池抽水泵的扬程不足，为此在距离高位水池落差为36米处设计有一加压泵房，配备立式离心泵两台（一用一备）电机功率为75KW，扬程36米。该加压泵的控制系统需考虑以下条件：
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　　    （1）若高位水池水位低和主管有水，则打开进水电动蝶阀和起动加压泵向高位水池供水；
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　　    （2）若高位水池水位满且主管有水，则给出报警信号并关闭加压泵和进水电动蝶阀；
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;Y%i wU&j%D._ 　　    （3）若主管无水表明用水量增大或抽水泵房停止供水，必须开启出水电动蝶阀由高位水池向主管补充不。 [)~%M.]&G v
.Y*{3Ctcz(w
　　    像抽水泵一样，我们为加压泵配备了软起动器和电机保护器，确保加压泵长期可靠地运转，同时配备了高位水池的水位传感器和数显仪和缺水传感器。 FJ3p zxJiX@ t|
f/k$o.[~2C
　　    为保证整个主水管网的恒压供不，当高位水池满且主水管有水时，加压泵停止，此时主管压力将“憋压”，最终导致主管压力上升，并将此压力传递到抽水泵房，抽水泵的控制系统检测到此压力进行恒压变频控制，进而达到整个主管网的恒压供水，这是整个控制系统设计的关键。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:19

3 系统实现功能
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vYGlB,q5P 　　3.1 全自动平稳切换，恒压控制 @9h&^%cz6g-RX-e3N
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　　    主水管网压力传感器的压力信号4~20mA送给数字PID控制器，控制器根据压力设定值与实际检测值进行PID运算，并给出信号直接控制变频器的转速以使管网的压力稳定。当用水量不是很大时，一台泵在变频器的控制下稳定运行；当用水量大到变频器全速运行也不能保证管网的压和稳定时，控制器的压力下限信号与变频器的高速信号同时被 PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将一台备用的泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若两台泵运转仍，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，而将另一台备用泵投入变频运行。
4_J[5s6U ql*qVJT!_ CC"DK0B
　　    当用水量减少时，首先表现为变频器已工作在最低速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC首先将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述两个信号仍存在时，PLC再停掉一台工频运行的电机，直到最后一台泵用主频器恒压供水。另外，控制系统设计六台泵为两组，每台泵的电机累计运行时间可显示，24小时轮换一次，既保证供水系统有备用泵，又保证系统的泵有相同的运行时间，确保了泵的可靠寿命。控制系统图见图3。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:20

3.2 半自动运行

P(X)]K1h@tA j3s:k#BA,VJ
　　    当PLC系统出现问题时，自动控制系统失灵，这时候系统工作处于半自动状态，即一台泵具有变频自动恒压控制功能，当用水量不够时，可手动投入另外一台或几台工频泵运行。 "Btk6Y0CX7G
P0}d-kO-m~
　　3.3 手动 W8v5]`:J

V|!Ry#xt 　　    当压力传感器故障或变频器故障时，为确保用水，六台泵可分别以手动工频方式运行。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:20

4 实施效果

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　　    实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的最经济结构，在软件设计中充分考虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用软起动是解决该问题关键。变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作用。 ISZ!M m!Uc
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　　    ①采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。

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qmC"^+|%g(R}D2V 　　    ②用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。
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　　    ③拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
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　　    ④在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。
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　　    ⑤电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:20

4 实施效果
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　　    实际运行证明本控制系统构成了多台深井泵的自动控制的最经济结构，在软件设计中充分考虎变频与工频在切换时的瞬间压力与电流冲击，每台泵均采用软起动是解决该问题关键。变频器工作的上下限频率及数字PID控制的上下限控制点的设定对系统的误差范围也有不可忽视的作用。
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　　    ①采用变频恒压供水，消除了主管网压力波动，保证了供水质量，而且节能效果明显，并延长了主管网及其阀门的使用寿命。
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　　    ②用稳压减压阀经济地解决了不同用水压力的问题。 d2oj\]
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　　    ③拓宽运用变频恒压控制原理，较好地解决了加压泵房与抽水泵房的远程通讯总是并达到异地连锁控制的目的。
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　　    ④在抽水泵房设置连续液位显示，并将信号传与PLC，防止泵缺水烧坏电机，设定的取水位置，确保水的质量。 /Dd8Po0aTC1]

k\8k8z/XBQ 　　    ⑤电机既有电机保护器，又有软起动器，克服了起动时的大电流冲击，相对延长了电机制使用寿命。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:21

变频器 PLC在桥式起重机控制系统中的应用
.nw$SA9O&a%m 一、原系统分析：
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　　 桥式起重机情况:
$GxH'_ ]wpc,o;Z'P XN|n8X y1^2VV3s|2t
　　桥式起重机(天车)是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。5吨桥式起重机，原设备电气驱动系统分为起重机升降、小车、大车三部份。其中起重机升降由一台13kW的绕线式异步电动机驱动，大车由两台4 kW绕线式异步电动机、小车由一台2.5 kW绕线式异步电动机驱动。在原传动控制中，采用转子串接电阻的调速方式.由于工作环境差,粉尘和有害气体对电机的集电环、电刷和接触器腐蚀性大，加上工作任务重,实际过载率高,由于冲击电流偏大,容易造成电动机触头烧损、电刷冒火、电动机及转子所串电阻烧损和断裂等故障, 影响现场生产和安全,工人维修量和产生的维修费用也很高.并且原调速方式机械特性较差,调速不够平滑，所串电阻长期发热浪费能量。综上所述原设备存在的主要缺点如下：
(XLw'~ub.lw
Mh%k(@3i/c'Q 　　（1） 拖动电动机容量大，起动时电流对电网冲击大，电能浪费严重。kvb#uV;| H

i;YK}EC8| 　　（2） 起重机升降、小车、大车起动、停止速度过快，而且都是惯性负载，机械冲击也较大，机械设备使用寿命缩短，操作人员的安全系数较差，设备运行可靠性较低。k ?2S:?nv
$Qd(S@;U"]"ks)I{-k+{
　　（3） 由于电动机一直在额定转矩下工作，而每次升降的负载是变化的，因此容易造成比较大的电能浪费。f(}nU6cny.daWt-f|

Q!ctM4?X{ 　　（4） 起重机每天需进行大量的装卸操作，由于绕线式电机调速是通过电气驱动系统中的主要控制元件---交流接触器来接入和断开电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在电流比较大的状态下，容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因灰尘、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率比较高，维修工作量比较大。同样小车、大车的运转也存在上述问题。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:21

（5） 在起重机起升的瞬间，升降电动机有时会受力不均匀，易过载，直接造成电机损坏或者钢丝绳断裂。
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　　（6） 为适应起重机的工况，起重机的操作人员经常性的反复操作，起重机的电器元件和电动机始终处于大电流工作状态，降低了电器元件和电动机的使用寿命。,W/i @A5c,Tp
T1~

:r|r6b;~3P U;JgX5E 　　（7） 起重机工作的协调性主要靠操作人员的熟练程度。由于升降、大车、小车三个凸轮控制器之间没有固定的联系，在起重机工作时操作人员劳动强度比较大，容易疲劳，易产生误操作。
0Cm-ma
R-?B b
9RTl/M:? 　　 针对上述现有技术存在的不足，本次改造的起重机采用先进的可编程控制技术（PLC）和变频器技术，以程序控制取代继电器----接触器控制，交流电动机调速方式采用变频调速，进而实现了起重机的半自动化控制。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:21

二、改造方案：t%m`(\~$s;NR

.S*m'[H"zS4l6z 　　 交流电动机的调速方式很多,针对上述现有技术存在的不足，综合各种性能最佳者为变频调速方式。
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D8u5M$M
8U.I'DPe#a0D 　　2.1拖动系统7|z+y8Ob3W*]
&h9k0i5C/IL{!S
　　1、电动机选型
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L(Vz yz w.Zm1X
　　A.大车与小车用电动机 可选用普通的笼型转子异步电is6w0]!C!BsURN!d-s

K;\Y9w!i2_\L 　　动机；
2vm^d3v"}Y:E
Xy(wq#K 　　B.升降用电动机 由于要求比较高，应选用变频专用的笼
?-DX'b_hc5b1G%Y
?.C8|i7a'O&mCb5cA 　　型转子异步电动机。
t-P)m7Qg8RW$I N2?0W2O@&z
　　原设备系统采用的是绕线式异步电动机，出于经济方面的考虑，通过短接转子回路也能进行使用。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:22

2、调速方法|} Mv:b

^5a B*B%XAo~ 　　 采用目前国际先进技术具有矢量控制功能的变频调速系统。变频后转速可以分档控制，一般采用6段速度运行，从低到高自由切换。
@]%I/~S9f :i/b-}w:Vn-y;x
　　3、制动方式
)cm ?vq/|} "M]c-IV5L
　　 采用再生制动、直流制动和电磁机械制动相结合的方法。
'b s9Ro8D7q.@p f _` v8q0PG}2x!Y"D
　　A.首先，通过变频器调速系统的再生制动和直流制动把运动中的大车、小车和起重机的速度迅速而准确地降到0(使它们停止) ；yp/lM A@0_G
X y(sm!TC}H9R
　　B.对于起重机，常常会有重物在半空中停留一段时间（如重物在半空中平移），而变频调速系统虽然能使重物静止，但因设备容易受到外界因素的干扰，（如在平移过程中常易出现的瞬间断电）因此，利用电磁制动器进行机械制动仍然是必须的。

fengxiaofu 发表于 2008-10-18 18:22

2．2变频调速系统的控制要点
t&Iq]{"Xlp py*t
H2~3_.P#\1l+](w 　　桥式起重机拖动系统的控制动作包括：大车的左、右行走及速度档位；小车的前、后行走及速度档位；起重机的升、降及速度档位等。所有这些，都可以通过可编程序控制器（PLC）进行无触点控制。
@k2| T7iJkn Bcc/hW0hR%UTsa
　　桥式起重机控制系统中需要引起注意的是关于防止溜钩的控制。在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜钩。
sXB5E-} Nk6Z
/Z)][Wz kR 　　防止溜钩的控制需要注意的关键问题是：
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rd&t bN%_
　　1）电磁制动器在通电到断电（或从断电到通电）之间是需要时间:J3fuC*`5\
+M-\jHf^
|
　　的，大约0.6秒（视型号和大小而定）。因此，变频器如过早地停止输出，将容易出现溜钩。
OAyNV!@|-_w9U (j0s0l1O-G%QQ:y D%O5^
　　2）变频器必须避免在电磁制动器抱闸的情况下输出较高频率，以(m"z*]4`}-b7`^D
3pvC Z"|)FQ
　　免发生“过流”而跳闸的误动作。o^!I-@9N_d

5g
k l%?(e 　　为此，具体控制方法如下：

Y'?m8S2b9Yg]7j sV7vk*\GZp0Z
　　1．重物高空停止的控制过程z3_7m.JT
mk/m
#O:y+t2N6wtS
V:{%e
　　A．设定一个“停止起始频率”fBS,当变频器的工作频率下降

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