大噸位高速比新型起重機(jī)械電氣系統(tǒng)的研制

摘 要: 本文主要介紹起重機(jī)械實(shí)現(xiàn)大噸位高速比存在的技術(shù)難題，針對(duì)這些難題進(jìn)行了分析，提出了解決這些疑難問題的方法。其研制成果已成功應(yīng)用于緬甸耶涯250t門式起重機(jī)電氣系統(tǒng)中,收到了良好的效果。該項(xiàng)目已立項(xiàng)為2008年浙江省重大科技專項(xiàng)。它的研制成功，將為提高我國(guó)自主創(chuàng)新能力，加快起重機(jī)械電氣技術(shù)的發(fā)展起到拋磚引玉的作用。

1 引言

　　由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)效益日益提高，以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中物料裝卸搬運(yùn)費(fèi)用所占比例逐漸增加，促使大型高速起重機(jī)的需求量不斷增長(zhǎng)，起重量要求越來越大，工作速度要求越來越高。同時(shí)要求起重機(jī)械重載時(shí)能平穩(wěn)啟動(dòng)不溜鉤，且能長(zhǎng)期低速運(yùn)行（速度達(dá)0.05m/min），準(zhǔn)確對(duì)位 ;輕載時(shí)能高速運(yùn)行，提高工效。

　　我國(guó)目前的起重機(jī)械在關(guān)鍵性的核心技術(shù)方面還不能滿足這種大噸位高速比的要求，只能從國(guó)外進(jìn)口。這些未解決的關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾方面：

　　1）國(guó)產(chǎn)變頻電機(jī)在起升位能性負(fù)載上滿足不了高速比（>1:20）的要求，易產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象。

　　2）變頻器輸出的低頻脈動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)位能負(fù)載低頻穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3）由于現(xiàn)場(chǎng)及制造條件的限制，起重機(jī)械向大噸位方向發(fā)展存在一定的瓶頸現(xiàn)象。

　　要研制這種大噸位高速比新型起重機(jī)械，就需解決以上三方面的關(guān)鍵技術(shù)問題。一旦研制成功并推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，不但大大提高我國(guó)起重機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且為變頻技術(shù)在起重機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用打開一個(gè)新的局面，真正實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，擺脫大噸位高速比起重機(jī)械長(zhǎng)期依賴從國(guó)外進(jìn)口的被動(dòng)局面。

2 高調(diào)速比新型變頻電機(jī)的研制

　　目前普通變頻電機(jī)負(fù)載特性如右圖1a所示，其基頻為50Hz,5～50Hz為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，電機(jī)輸出額定轉(zhuǎn)矩，50～100Hz為恒功率調(diào)速。在5Hz以下，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩大大低于額定轉(zhuǎn)矩，因而電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)重載啟動(dòng)，易發(fā)生溜鉤現(xiàn)象，不能長(zhǎng)期低頻穩(wěn)定運(yùn)行。在50～100Hz恒功率段，允許負(fù)載轉(zhuǎn)矩反時(shí)性下降，往往會(huì)出現(xiàn)空中起吊加 速力矩不夠的現(xiàn)象。為此，要實(shí)現(xiàn)高速比（>1：20）,必須研制新型變頻電機(jī)，使其達(dá)到如圖1b所示的負(fù)載特性。為此將采取如下措施：

　　1）定子繞組設(shè)計(jì)時(shí)采用多槽和短距繞組，提高基波繞組系數(shù)，降低高次諧波（尤其是5次、7次諧波）。盡可能減小定子的集膚效應(yīng)，并采用多根互相絕緣的導(dǎo)體并聯(lián)。

　　2）為了減小低頻運(yùn)行轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)幅值，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子繞組時(shí)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子繞組的電感L,減小轉(zhuǎn)子繞組電阻R2,以增大轉(zhuǎn)子繞組的時(shí)間常數(shù)。

　　3）轉(zhuǎn)子槽形設(shè)計(jì)成寬而淺的轉(zhuǎn)子槽形，以降低轉(zhuǎn)子損耗和削弱諧波集膚效應(yīng)的影響，降低高次諧波產(chǎn)生的附加損耗，同時(shí)減少轉(zhuǎn)子漏抗，抑制高次諧波電壓。

　　4）為了避免由于扭斜漏磁通產(chǎn)生的諧波損耗，轉(zhuǎn)子采用直槽。

　　5）電機(jī)的硅鋼片采用優(yōu)質(zhì)的冷軋無取向硅鋼片。

　　6）電磁線采用H級(jí)絕緣電磁線。

　　7）為滿足低頻長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的工況，需加大強(qiáng)制性風(fēng)冷的排風(fēng)量。

　　同時(shí)開發(fā)變頻控制技術(shù)，使變頻器輸出電壓在基頻點(diǎn)至未飽和狀態(tài)，以提高高速運(yùn)行的額定轉(zhuǎn)矩，從而保證電機(jī)在高速時(shí)具有足夠的加速力矩，使電機(jī)在1Hz就能輸出額定轉(zhuǎn)矩，并能穩(wěn)定運(yùn)行于2～100Hz，從而使調(diào)速比達(dá)到1:50。

3 采取措施解決低頻脈動(dòng)及給定干擾問題

　　解決起升機(jī)構(gòu)在5Hz以下低頻轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問題，除改變電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組以外，起升變頻傳動(dòng)系統(tǒng)需要建立閉環(huán)控制，同時(shí)增大閉環(huán)編碼器的檢測(cè)頻率。為確保變頻器給定不受干擾的影響，變頻輸入采用數(shù)字量輸入，通過變頻器內(nèi)部數(shù)字量接口模塊DI-16H,自動(dòng)轉(zhuǎn)變成模擬量，以解決變頻器輸出轉(zhuǎn)矩低頻脈動(dòng)及給定輸入不穩(wěn)定的問題。

4 通過MPI網(wǎng)絡(luò)來解決大噸位問題

　　隨著起重量的不斷增大，電機(jī)、制動(dòng)器、減速器等設(shè)備的容量相應(yīng)要增大，但不可能無限制地增大，同時(shí)，又受到現(xiàn)場(chǎng)輪壓、軌距等多方面的限制，實(shí)現(xiàn)大噸位確實(shí)存在一定的難度。為此。開發(fā)了兩臺(tái)獨(dú)立起重機(jī)通過MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)抬吊的功能（如右圖示），使整體起重量增加了一倍以上，為解決大噸位問題找到了一條捷徑。要實(shí)現(xiàn)MPI網(wǎng)絡(luò)功能，在硬件設(shè)計(jì)上，兩臺(tái)起重機(jī)電控系統(tǒng)均采用西門子S7-300PLC，并通過適配器和PROFIBUS-DP通訊電纜將兩臺(tái)起重機(jī)PLC上的MPI口相連。在軟件設(shè)計(jì)上，將各機(jī)構(gòu)的控制及狀態(tài)字節(jié)放在DB3數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過MPI網(wǎng)的單邊編程通信方式，即客戶機(jī)與服務(wù)器的訪問模式。通過調(diào)用SFC67（X-GET）和SFC68（X-PUT）,將它車的DB3數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)讀回并存放到本車的DB4數(shù)據(jù)區(qū)中，同時(shí)將本車的DB3數(shù)據(jù)區(qū)中的數(shù)據(jù)放至它車的DB4數(shù)據(jù)區(qū)中，以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)起重機(jī)的數(shù)據(jù)交換。在操作上，兩臺(tái)起重機(jī)抬吊時(shí)，首先將兩臺(tái)起重機(jī)通過機(jī)械拉桿鎖定位置。當(dāng)并車運(yùn)行時(shí)，首先通過聯(lián)動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)換開關(guān)確定哪臺(tái)車為主車或副車，再在主車聯(lián)動(dòng)臺(tái)上另外一個(gè)轉(zhuǎn)換選擇開關(guān)選出“本車”、“并車”、“它車”，這樣就可以在主車上同時(shí)或單獨(dú)操作2臺(tái)起重機(jī)的主、副起升和大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到并車同步和單獨(dú)調(diào)整使用的目的。2臺(tái)起重機(jī)中的任意一臺(tái)都可作為主車，主車上可以完成本車操作、它車操作和并車操作。

5 隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研制

　　為實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)起重機(jī)并車抬吊功能，開發(fā)了一套雙吊點(diǎn)隨動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，即在兩臺(tái)起重機(jī)的起升卷筒上分別安裝了高度檢測(cè)絕對(duì)值編碼器AVM58，通過其SSI口將檢測(cè)的高度信號(hào)傳至PLC位置檢測(cè)模塊SM338。抬吊時(shí)，保持主車起升速度不變，它車速度根據(jù)兩吊點(diǎn)位置差，超過給定的偏差范圍作相應(yīng)的調(diào)整，以便兩吊點(diǎn)的高度差始終控制在一定范圍內(nèi)。為提高其控制精度，起升系統(tǒng)高速軸上安裝了增量型編碼器，由此組成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，其速度靜態(tài)精度可達(dá)0.02%。

6 研制成果的應(yīng)用

如右圖所示，以我單位簽訂合同的緬甸耶涯水電站兩臺(tái)250（120）t/40（8）t電站廠房門機(jī)（要求抬吊）為依托工程，從而完成大噸位高速比新型起重機(jī)械的研制工作。

　　緬甸耶涯水電站為東南亞最大的水電站，發(fā)電廠房?jī)?nèi)將安裝4臺(tái)195MW的立式混流式發(fā)電機(jī)組。擔(dān)任其吊裝任務(wù)的是兩臺(tái)跨度為25.5m的250（120）t/40（8）t電站單小車門式起重機(jī)，吊運(yùn)460t發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子時(shí)將用500t平衡梁由兩臺(tái)門機(jī)抬吊完成。

　　主起升機(jī)構(gòu)額定起重量為250/120t，起升速度為0.05～0.5/0.15～1.5m/min,

　　調(diào)速范圍為1:30,為此開發(fā)新型變頻電機(jī)YZPTFM315M2-8CTH S3 40% 45KW。通過試驗(yàn)新型變頻電機(jī)具有如下特性：

　　1）基頻: 30HZ（45KW 330V 436 r/min 988N.m）

　　2）最低頻率: 3HZ時(shí), 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩為1000N.m，大于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸出的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩（250t）之比為3。

　　3）最高頻率：90HZ時(shí), 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩為325N.m，大于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸出的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩（120t）之比為2。

　　以上參數(shù)能滿足低頻穩(wěn)定運(yùn)行，高速運(yùn)行的要求。同時(shí)采用了安川變頻器CIMR-G7A4075,閉環(huán)控制。

　　副起升機(jī)構(gòu)額定起重量為40/8t，起升速度為0.3～3/1.5～15m/min,調(diào)速范圍為1:50，為此開發(fā)新型變頻電機(jī)YZPTFM315M1-8CTH S3 40% 30KW。通過試驗(yàn)新型變頻電機(jī)具有如下特性：

　　1）基頻: 20HZ（30KW 265V 287r/min 990N.m）

　　2）最低頻率: 2HZ時(shí), 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩為1000N.m，大于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸出的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩（40t）之比為1.8。

　　3）最高頻率：100HZ時(shí), 穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)矩為195N.m，大于額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)輸出的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩（8t）之比為2.1。

　　以上參數(shù)能滿足低頻穩(wěn)定運(yùn)行，高速運(yùn)行的要求。同時(shí)采用了安川變頻器CIMR-G7A4075,閉環(huán)控制。

　　兩門機(jī)電氣系統(tǒng)通過軟硬件的配置與開發(fā)，組成了一個(gè)MPI網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，對(duì)低頻脈動(dòng)、防溜鉤、運(yùn)行同步的方面采取相應(yīng)的措施。并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬性試驗(yàn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

　　兩門機(jī)電氣系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：主起升并車抬吊500t，啟制動(dòng)平穩(wěn)，不溜鉤，其同步偏差控制在1%以內(nèi)。副起升機(jī)構(gòu)能在1:50調(diào)速范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，低速運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)械大噸位高速比的要求，深受用戶好評(píng)。同時(shí)人機(jī)界面檢測(cè)系統(tǒng)和地面遙控操作系統(tǒng)的加入，更進(jìn)一步提高了整機(jī)的智能化水平，為國(guó)內(nèi)起重機(jī)械電氣系統(tǒng)向更優(yōu)更新發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)該研制成果可廣泛運(yùn)用于冶金、建筑、港口、核電等領(lǐng)域起重機(jī)械中，前景十分廣闊。