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案例頻道 英文摘要: In his paper the Inovance inverter of MD320 seriers applied to 20-t gantry crane and the flexibile uses of PLC and Human-machan interface to very-frequence very-speed are described。
關(guān)鍵詞：變頻器 門(mén)式起重機 PLC
一 引言
門(mén)式起重機是一種用來(lái)起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內水平移動(dòng)的起重、搬運設備，在生產(chǎn)過(guò)程中有著(zhù)重要應用。
傳統的門(mén)式起重機調速方法如:繞線(xiàn)轉子異步電動(dòng)機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等，它們共同的缺點(diǎn)是繞線(xiàn)轉子異步電動(dòng)機有集電環(huán)和電刷，要求定期維護，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見(jiàn)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場(chǎng)維護量較大，調速系統的故障率較高，而且調速系統的綜合技術(shù)指標較差，已不能滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。
交流變頻調速傳動(dòng)具有以下特點(diǎn)：
A.可以使普通異步電動(dòng)機實(shí)現無(wú)級調速。
B.啟動(dòng)電流小,減少電源設備容量。
C.啟動(dòng)平滑,消除機械的沖擊力,保護機械設備。
D.對電機具有保護功能,降低電機的維修費用。
E.具有顯著(zhù)的節電效果。
由于交流變頻調速傳動(dòng)技術(shù)具有上述特點(diǎn)，已開(kāi)始取代直流調速裝置，成為現代電氣傳動(dòng)的發(fā)展方向. 其調速原理如下: 從電源端輸入三相交流電至變頻器后，經(jīng)整流濾波變換為直流電，再通過(guò)電子開(kāi)關(guān)電路轉換為頻率及電壓均可調的三相交流電，然后經(jīng)濾波后輸出，作為電動(dòng)機的輸入電源。
我國起重機開(kāi)始采用變頻器進(jìn)行調速控制大約在80年代后期，那時(shí)大多是V/F比控制的變頻器，變頻無(wú)級調速的平穩性、可控性和節能等特點(diǎn)為交流異步電動(dòng)機驅動(dòng)的門(mén)式起重機大范圍、高質(zhì)量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡(jiǎn)單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動(dòng)機，并且高效、節能，其外圍控制線(xiàn)路簡(jiǎn)單，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的提高.隨著(zhù)變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，專(zhuān)業(yè)起重機生產(chǎn)企業(yè)也把眼光投向這一高技術(shù)領(lǐng)域，并針對起重機作業(yè)的特點(diǎn)，深入開(kāi)展變頻調速系統的研究。所以，采用交流變頻調速是門(mén)式起重機交流調速技術(shù)發(fā)展的主流。
其次,PLC的基本、應用指令和觸摸屏的人性化界面設計,使每個(gè)操作司機都能夠迅速的適應并掌握本臺車(chē)的操作習慣,多達86個(gè)操作畫(huà)面,及故障信息查詢(xún)畫(huà)面,使維修人員能夠迅速的查出故障原因并排除.
二 20T門(mén)吊的電氣結構
本文針對匯川變頻器和三菱PLC在鄭州鐵路局下屬某貨場(chǎng)20T門(mén)式起重機中應用作以介紹:
本起重機額定起重量: 20T, 起升高度: 11米, 起升速度: 10米/秒, 大車(chē)速度: 47.9米/秒, 小車(chē)速度: 45.2米/秒, 跨度:18米, 有效懸臂6.5米.
主鉤電機 1臺 6極變頻電機 45KW
大車(chē)電機 4臺 8極普通異步電機 7.5KW
小車(chē)電機 2臺 6極普通異步電機 11KW
一) 電氣系統主要元器件由匯川MD320系列變頻器、三菱FX1N系列PLC、以及天津羅升人機界面構成.
1) 變頻器的選擇
采用變頻器驅動(dòng)異步電動(dòng)機調速，通常應根據異步電動(dòng)機的額定電流來(lái)選擇變頻器，或者根據異步電動(dòng)機實(shí)際運行中的電流值（最大值）來(lái)選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05~1.10）電動(dòng)機的額定電流或電動(dòng)機實(shí)際運行中的最大電流。而在起重機行業(yè),特別對于起升機構為安全其間,所選電器容量要遠大于設備的額定容量.故在選主鉤電機變頻器時(shí)要對其容量進(jìn)行放大處理.
主鉤電機為6極變頻電機, 3~50Hz范圍內為恒轉矩運行，50~100Hz范圍內為恒功率運行。主鉤變頻器型號為MD320T-75KW
大車(chē)電機為8極電機,7.5KW, 大車(chē)變頻器型號為MD320T-45KW
小車(chē)電機為6極電機,11KW, 小車(chē)變頻器型號為MD320T-37KW
PLC 選兩臺60點(diǎn)PLC即FX1N-60MR. 觸摸屏選為PWS-6600 ,
低壓電器全部采用施耐德進(jìn)口器件.
它的基本框圖如下:
框圖解釋
本電氣系統采用兩個(gè)PLC作為整個(gè)系統的數據及邏輯處理核心, 主要有以下優(yōu)點(diǎn):
a) 使整個(gè)系統的程序分為主鉤程序和大小車(chē)程序, 便于調試, 將大小車(chē)的運行狀態(tài)通過(guò)編碼程序傳送給PLC0, 進(jìn)而在觸摸屏上顯示出來(lái).
b) 突出了系統的集中性: 即監視集中, 操作集中, 管理集中
c) 突出了系統的分散性: 即控制分散, 危險分散, 負荷分散
d) 觸摸屏共有80多個(gè)畫(huà)面組成, 內容包括系統的運行狀態(tài), 速度顯示, 系統測試, 故障頻次記錄, 歷史故障記錄,以及排除方法等.
2 系統布置
系統共有四面柜子組成: 電源柜, 起升變頻柜, 大小車(chē)變頻柜, 電阻柜.
起升變頻系統用一臺PLC來(lái)控制主鉤變頻器的升降, 并與觸摸屏通訊, . 如圖:
大小車(chē)系統合裝在一臺柜內,共用一臺PLC,其中PLC將大小車(chē)的運行狀態(tài), 限位信號等編碼后與起升柜內PLC輸入相連, 這樣就可以在觸摸屏上顯示出來(lái).如圖:
電阻柜由于要吸收掉變頻器的再生能量, 發(fā)熱, 溫度比較高,故放在配電房外,為戶(hù)外安裝.
為保證柜內元器件的散熱, 每臺柜內都加裝兩臺軸流風(fēng)機散熱. 同時(shí)配電房?jì)纫舶惭b了冷暖空調。
在設計過(guò)程中,主要要考慮以下問(wèn)題:
1) 主鉤在上升或下降時(shí)的防溜鉤問(wèn)題
在電磁制動(dòng)器抱住之前和松開(kāi)后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止狀態(tài)下滑而產(chǎn)生溜鉤。在這個(gè)問(wèn)題上主要應考慮變頻器運行時(shí)與電磁制動(dòng)器接觸器吸合的配合時(shí)間, 若在上升,下降過(guò)程中制動(dòng)器打開(kāi)過(guò)早,易出現溜鉤,打開(kāi)過(guò)晚,變頻器容易報故障,在停車(chē)過(guò)程中,若抱閘過(guò)早, 變頻器容易報故障, 抱閘過(guò)晚易出現溜鉤. 所以,解決此問(wèn)題的關(guān)鍵主要有兩點(diǎn):
?。?) 起吊重物停住控制要點(diǎn)
通過(guò)設定停止起始頻率,和維持時(shí)間 (應大于制動(dòng)電磁鐵抱閘時(shí)間0.6s)，當變頻器的工作頻率下降到時(shí), 變頻器輸出一個(gè)“頻率到達信號”, 發(fā)出制動(dòng)電磁鐵斷電指令，此時(shí)維持一段時(shí)間，隨后變頻器工作頻率降為0Hz。
?。?) 起吊重物升降控制要點(diǎn)
設定“升降起始頻率 和“檢測電流時(shí)間 ，當變頻器達到的同時(shí)，變頻器開(kāi)始檢測電流，確認電流足夠大，產(chǎn)生的力矩能抵消下降力矩時(shí)發(fā)出松開(kāi)指令，使制動(dòng)電磁鐵開(kāi)始通電松開(kāi)抱閘，應大于電磁鐵松開(kāi)時(shí)間。 但還有其他參數及機械上的配合;譬如:變頻器的加減速時(shí)間, 電磁制動(dòng)器彈簧的松緊程度等).
2) 自動(dòng)轉矩提升設置
大小車(chē)因為是一拖多運行,控制方式應選為 U/F控制,適當地提高中頻電壓可以改善低頻特性，提高啟動(dòng)轉矩; 提高零頻電壓可以加大直流強勵磁，可以有效改善大小車(chē)的啟動(dòng)特性。,其曲線(xiàn)參見(jiàn)下圖:
3) 各傳動(dòng)機構變頻器的功能參數設置
門(mén)式起重機各傳動(dòng)機構采用的變頻器，其變頻器的功能參數設置如下表中。
|
參數名稱(chēng) |
參數設置 |
參數名稱(chēng) |
參數設置 |
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控制方式 |
VC |
多段速頻率 |
根據情況設定 |
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命令源 |
端子控制 |
第二加減速時(shí)間 |
根據情況設定 |
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頻率源 |
多段速 |
FDT電平 |
根據情況設定 |
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第一加減速時(shí)間 |
根據情況設定 |
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多功能輸入端子選擇 |
根據情況設定 |
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多功能輸出端子選擇 |
根據情況設定 |
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4) 能量回饋問(wèn)題
主鉤變頻器在降頻過(guò)程中，或在下放過(guò)程中,電動(dòng)機從電動(dòng)狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，電動(dòng)機由此獲得制動(dòng)轉距。減速越快，負載的慣量越大，再生的能量也就越大。處理這部分能量既可防止變頻器直流母線(xiàn)電壓超過(guò)額定電壓，造成變頻器的損壞，同時(shí)又可獲得所需要的制動(dòng)轉矩。
起重機在再生能量的處理上，應用最多的是采用外接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是將再生能量消耗在電機之外，電動(dòng)機不發(fā)熱，適合頻繁工作。缺點(diǎn)是這部分再生能量在電阻上以熱能形式被白白消耗掉了。這種方式在理論上不及采用可逆變流器的能量回饋型的處理方式好，因為回饋型可以將再生能量回饋電網(wǎng)，使再生能量得到完全的利用。然而，回饋型對以滑觸方式受電的起重機是不合適的，任何受電器的跳動(dòng)都有可能造成逆變的失敗，乃至殃及變頻器損壞。
所以本系統也采用外接制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的方法來(lái)防止由于電動(dòng)機產(chǎn)生的再生能量而引起的變頻器故障和損壞.
5) 加減速時(shí)間的切換問(wèn)題
當鉤子剛吊著(zhù)重物,吊繩有松到繃緊直到離開(kāi)地面的過(guò)程中,鉤子的稱(chēng)重量由0開(kāi)始逐漸增加, PLC通過(guò)重量限制器輸出的信號自動(dòng)選擇工作方式, 變頻器升速時(shí)間也不一樣, 這就需要一個(gè)加減速時(shí)間的切換的問(wèn)題,我們設定空鉤的加減速時(shí)間為第一加減速,正常及滿(mǎn)鉤作業(yè)時(shí)為第二加減速,當重量達到分界線(xiàn)時(shí)自動(dòng)切換到第二加減速時(shí)間, 第一加減速時(shí)間要比第二加減速時(shí)間短才能適應吊車(chē)的快速作業(yè)。
3 電氣特點(diǎn)
1) MD320變頻器簡(jiǎn)介
MD 系列變頻器代表未來(lái)變頻器的發(fā)展方向,主要開(kāi)創(chuàng )了其領(lǐng)域的三個(gè)概念
1 它首創(chuàng )了新一代變頻器三層模塊化的結構標準, 如圖:
2 它首創(chuàng )了用戶(hù)需求進(jìn)行電機驅動(dòng),通用功能,和專(zhuān)用功能等主模塊及各種子模塊劃分的物理標準,如下圖：
具有以下特點(diǎn)：
a )MD系列變頻器采用了真正的電流矢量控制算法，即把定子電流按照坐標變換后分解為轉矩電流分量和磁通電流分量，從而實(shí)現轉矩的精確控制。
b) 靈活的模塊化設計，可根據客戶(hù)行業(yè)的不同需要靈活配置各種行業(yè)專(zhuān)用模塊、功能模塊、高性能電機控制模塊，易與設備的升級、維護，全面降低應用成本。
c) 豐富的頻率源設定方式，功能齊全的多功能輸入、輸出端子，方便了控制。
d) 優(yōu)秀的伺服響應特性，對急速負載波動(dòng)有很強的適應性。
e) 全系列獨立風(fēng)道設計、寬電壓范圍設計、安全自檢功能、安全的防雷設計、完善的保護功能、專(zhuān)業(yè)化制作平臺。
f) 寬范圍的精確控制，不論負載如何變化，都能從1/100低速度至高速度的高精度運轉。
2) 整個(gè)系統具有以下功能：
a) 起升電機工作在閉環(huán)矢量模式下, 通過(guò)旋轉編碼器信號反饋使在升降重物時(shí)對位更精確
b) PLC控制允許在線(xiàn)編程、在線(xiàn)修改、并對各種故障進(jìn)行檢測
c) PLC通過(guò)重量限制器輸出的信號自動(dòng)選擇工作方式
即: 當T≤0.6T時(shí)系統認為空鉤可以快速升降(即最高運行頻率為70Hz)
當0.6T≤T≤13.5T時(shí)系統認為屬于正常作業(yè)也可以快速升降,但比空鉤梢慢(即最高運行頻率為60Hz)
當 13.5T≤T≤21.0T 時(shí)系統認為屬于滿(mǎn)鉤作業(yè),變頻器工作在恒轉矩模式下(即最高運行頻率為50Hz)
當 T≥21.0T 時(shí)系統認為超載, 系統只能做下放動(dòng)作,不能起升.
d) 故障中文檢測系統顯示包括起升、大、小車(chē)故障，能實(shí)時(shí)在線(xiàn)監控。超載、短路、過(guò)流、過(guò)電壓、低電壓、過(guò)熱、缺相等其它故障顯示，同時(shí)顯示故障解決辦法. 例如: 當發(fā)生”起升變頻器故障”時(shí)出現以下畫(huà)面:
按故障速查后可出現以下畫(huà)面: 然后看變頻器所報的故障信息,比如: Err03,
按”Err03”出現下面畫(huà)面
用戶(hù)可以很方便地查出故障原因并及時(shí)排除. 各種故障信息多達30種.
e) 數據顯示功能
在觸摸屏上可顯示以下數據: 起升、大、小車(chē)速度, 起升、大、小車(chē)制動(dòng)器吸合次數, 工作時(shí)間, 以及此時(shí)門(mén)吊所工作的狀態(tài)等.如:
四 MD320系列變頻器在調試中的特點(diǎn)
1) 靜載實(shí)驗
1) 靜載實(shí)驗
靜載實(shí)驗是將超過(guò)起吊重量的重物吊起然后離開(kāi)地面一定高度并承受一定的時(shí)間.
在這里我們先將重量限制器的超載信號短接,使之無(wú)效,然后起吊1.25倍額定載荷重物,這里第一檢測了門(mén)吊機械方面的各項數據，第二也測試了變頻器在起吊較重物體時(shí)(特別是低速起升時(shí))轉矩特性, 以及與制動(dòng)器的配合情況. 此次檢測中發(fā)現當變頻器達到0.5Hz時(shí), 抱閘松開(kāi), 沒(méi)發(fā)現有溜鉤現象發(fā)生.
在這里我們先將重量限制器的超載信號短接,使之無(wú)效,然后起吊1.25倍額定載荷重物,這里第一檢測了門(mén)吊機械方面的各項數據，第二也測試了變頻器在起吊較重物體時(shí)(特別是低速起升時(shí))轉矩特性, 以及與制動(dòng)器的配合情況. 此次檢測中發(fā)現當變頻器達到0.5Hz時(shí), 抱閘松開(kāi), 沒(méi)發(fā)現有溜鉤現象發(fā)生.
2) 聯(lián)動(dòng)臺分為5段速度逐一傳遞給PLC,經(jīng)處理后給變頻器, 在大,小車(chē)中每段速的頻率間隔為10Hz, 在減速過(guò)程中, 也是逐一退出, 速度變化平穩, 所以在工作中不會(huì )出現鉤頭晃動(dòng)現象, 不需要司機客意地去攆鉤頭.
3) 變頻器能夠適應司機在以前老系統中那樣的操作習慣, 快速的來(lái)回扳動(dòng)聯(lián)動(dòng)臺操作手柄, 速度變化明顯,
4) 其次本系統在運行中, 能有利地改善了以前串電阻調速時(shí)對門(mén)吊鋼結構的危害以及減少了對電網(wǎng)的沖擊。
五 效果分析
通過(guò)1年的運行, 和本貨場(chǎng)老系統(串電阻調速)相比,效果很明顯.
主要表現在以下方面:
1, 維護費用大大降低, 低壓電器, 電動(dòng)機,電刷, 電阻的維修率大大降低,
2, 調速更加平穩, 低速時(shí)啟動(dòng)轉矩很大,司機沒(méi)必要在吊特別重的貨物時(shí)先打到高速檔.
3, 系統啟動(dòng)平穩, 減少了對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊.
4, 也降低了對電網(wǎng)的沖擊.
5, 最顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)是節約能源, 據統計,比老系統節電26%.
6, 比老系統提高工作效率20~25%。
結束語(yǔ)
實(shí)踐證明，用變頻器控制門(mén)式起重機的運行是不但節電降耗,而且提高了工作效率.運行的可靠性也得到大大提高,具有很廣闊的應用前景.
[1] 張燕賓. 變頻調速應用實(shí)踐. 北京:機械工業(yè)出版社，2000
[2] 吳忠智,吳家林. 變頻器應用手冊. 北京:機械工業(yè)出版社，2003
[3] MD320變頻器使用手冊V1.2
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號