ACC600變頻器在1100t門式起重機中的應用
1前言
交流變頻調(diào)速技術在工業(yè)界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的門式起重機大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有和直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美的高性能調(diào)速指標，它可以采用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機進行調(diào)速，并且變頻調(diào)速系統(tǒng)的效率比傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)要高，其外圍控制線路簡單，維護工作量小，保護監(jiān)測功能完善，運行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，交流變頻調(diào)速技術的應用是今后門式起重機交流調(diào)速技術發(fā)展的主流。
21100t變頻調(diào)速門式起重機運行的特點
2.1使用環(huán)境
1100t變頻調(diào)速門式起重機適用于大噸位構件組焊、設備安裝以及港口碼頭、鐵路貨場、重工企業(yè)等的貨場裝卸作業(yè)，起升高度可達13m，最大起重量為1100t,它是我國目前起吊量最大的門式起重機。該產(chǎn)品的結構形式為雙主梁門式、雙小車，兩臺起重小車各吊重550t，即可同時起吊、橫移，又可單臺分別操作，其操作方式為PLC控制的全變頻調(diào)速系統(tǒng)。
1100t變頻調(diào)速門式起重機適用的場合均屬露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，有些場所存在多粉塵、有腐蝕氣體等，使用環(huán)境惡劣。供電電源方面普遍存在變壓器容量小，供電電纜截面小、線路長；在大型設備啟動時，常造成瞬時欠電壓。
2.2運行特征
a.門式起重機起動時應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮電源波動及超載實驗要求等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。
b.由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須研討變頻器啟動信號與制動器動作信號的控制時序。
c.當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電機處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場情況研討如何處理這部分再生能量。
d.起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。
e.由于每臺起重小車的主鉤由兩臺電動機同步拖動，因此主鉤的電氣傳動必須考慮兩臺電動機之間的力矩平衡分配。
3起升變頻器的選用
能滿足1100t門式起重機起升機構運行特點，即具有四象限運行、高啟動轉矩、低速滿轉矩、快速的轉矩上升時間和機械制動器順序控制等功能的高性能工程型變頻器，主要有ABB公司的ACC600系列直接轉矩控制型變頻器；西門子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型變頻器。鑒于直接轉矩控制型變頻器優(yōu)越的技術性能，我們選用ACC600起重機專用變頻器用于1100t門式起重機起升機構的電氣傳動。
3.1ACC600變頻器的特性
ACC600變頻器屬于ACS600變頻器的系列產(chǎn)品，它使用了與ACS600同樣先進的電機控制方式和硬件解決方法，只是裝備有特殊的起重機傳動應用程序。它具有標準起重機系統(tǒng)的功能：轉矩記憶、功率優(yōu)化（輕負載升速）、限幅開關監(jiān)控、機械制動器順序控制、轉矩驗證、危險速度監(jiān)視、主從控制等，特殊起重機應用程序結合直接轉矩控制技術（DTC），保證了在較高要求的起重機電氣傳動應用中的精確控制。
直接轉矩控制與矢量控制不同，它不是通過控制電流、磁鏈等參量來間接控制轉矩，而是把轉矩直接作為被控量來控制。轉矩控制的優(yōu)越性在于：轉矩控制是控制定子磁鏈，在本質(zhì)上并不需要轉速信息；控制上對除定子電阻外的所有電機參數(shù)變化魯棒性良好；能方便地實現(xiàn)無速度傳感器化。這種系統(tǒng)可以實現(xiàn)很快的轉矩響應速度和很高的速度、轉矩控制精度。
ABB公司首先推出的ACS600直接轉矩控制系列變頻器，已達到
3.1.1主從控制
主從控制是一種負載分配應用，是為多電機傳動應用而設計的。它用于電氣傳動系統(tǒng)中運行兩個ACC600變頻器并且電機軸通過齒輪、導軌、鏈條或軸等相互連接的應用場合。主從應用控制中，外部控制信號只與主機變頻器連接，主機經(jīng)由光纖通信控制從機變頻器。主機通過主從總線將命令信號和給定值傳送給從機，主機也從從機讀取返回的狀態(tài)信息，以確認從機變頻器運行是否正常。主機傳動是速度控制，從機變頻器根據(jù)機械傳動不同連接形式跟隨主機的轉矩或速度給定。一般情況下，當主傳動和從傳動的電機軸通過齒輪、導軌、軸等剛性連接時，從機傳動使用轉矩控制；當主傳動和從傳動的電機軸通過柔性連接時，從機傳動使用速度控制。
3.1.2機械制動控制
在起升電機速度降到零速后，就應立即施加機械制動，以防止溜鉤。當變頻器接收到起動命令后，在收到轉矩驗證成功且沒有停止命令時，經(jīng)過設置的制動抱閘松開延時時間后，變頻器輸出機械制動開啟信號，機械制動器松開，反饋的機械制動確認信號正常開啟后，變頻器升高輸出頻率至設定速度。當變頻器接收到停止命令后，傳動將通過電氣制動停車直至零速，變頻器撤去機械制動開啟信號，機械制動器抱緊電機軸。反饋的機械制動確認信號正常關閉后，變頻器的“RUN”命令在經(jīng)過了設置的機械制動延遲時間后復位為“0”。如果發(fā)生機械制動故障，例如在起動或正常運行期間，反饋的機械制動確認信號不正常且時間超過了設置的機械制動故障延遲時間，變頻器將停止輸出并指示相應的故障信息。
3.1.3轉矩驗證
轉矩驗證是起重機電氣傳動控制中的一個功能模塊，在松開機械制動器和開始提升傳動之前，確認電機能夠產(chǎn)生轉矩，機械制動器沒有打滑。如果轉矩驗證成功，則表示電機的輸出轉矩達到了正確的等級，允許機械制動器松開，開始起動程序。轉矩驗證在轉矩控制模式下無效。
3.1.4功率優(yōu)化
功率優(yōu)化功能換句話說就是輕負載升速，它是采用弱磁升速實現(xiàn)在電機的額定速度（基速）以上調(diào)速，但這樣會降低電機的輸出轉矩。為了確保電機在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)始終能夠產(chǎn)生足夠的轉矩控制負載，要計算出一個最大的允許速度，這種功能就叫功率優(yōu)化。如果功率優(yōu)化模塊收到輕負載升速允許信號，就意味著允許加速到最大速度，計算出的最大速度給定用于積分單元的輸入，電機將加速到相應的速度。在向著基速加速時，在速度達到90%基速時，功率優(yōu)化模塊將用以下公式計算出最大允許速度：最大允許速度=基速×TQLIM／TORQHOLD。公式中TQLIM為正向/反向運行時的最大轉矩限制，TORQHOLD是由功率優(yōu)化模塊計算出的托住負載所需的轉矩。功率優(yōu)化貫穿于電機加速的過程中，用測量出的總轉矩（負載轉矩+加速轉矩）來計算弱磁調(diào)速狀態(tài)下不超過電機額定故障轉矩的最大允許速度。
3.1.5轉矩監(jiān)視
轉矩監(jiān)視功能用于監(jiān)測電機轉矩，檢查電機在加減速時是否能夠跟隨速度給定，在正常運行和加減速期間是否產(chǎn)生過度的速度偏差。如果速度偏差的絕對值超過設定值且時間長于設定時間，變頻器將因為轉矩故障而跳閘。
3.2起升變頻器的容量計算與配置
下面就1100t門式起重機的起升機構變頻器選用原則做以詳細說明。
門式起重機起升機構所需的電動機軸輸出功率：
式中：W為起升機構額定提升負荷的重量，kg；ν為起升機構的額定速度，m/min；
η為起升機構的機械效率。
變頻器的容量必須大于負載所需求的輸出，即：
式中：k為過載系數(shù)1.33；PM為負載要求的電動機軸輸出功率，kW；η為電動機效率；cosφ為電動機的功率因數(shù)。
起升機構要求的起動轉矩為1.3—1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6—2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。
在變頻器容量選定后，還應做電流驗證，即：
ICN≥kIM
式中：k為電流波形修正系數(shù)（PWM調(diào)制方式時取1.05—1.1）；ICN為變頻器額定輸出電流，A；IM為工頻電源時的電動機額定電流，A。
1100t變頻調(diào)速門式起重機有兩個獨立驅動的起升機構，每個起升機構由2臺電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經(jīng)過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調(diào)速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機的“一拖一”方案，變頻器選用ACC600直接轉矩控制型提升機專用變頻器，為了提高低速傳動時的動態(tài)特性和高轉矩輸出能力，每臺電動機采用帶脈沖編碼器的閉環(huán)控制。每個起升機構的2臺變頻器之間采用ACC600變頻器提供的具有角同步控制功能的主從控制宏方案，這些控制方案可以實現(xiàn)2臺電動機的精確同步控制和轉矩平衡分配。
按照上述變頻器選用、計算公式進行換算，雙起升機構選用4臺ACC601-0120-3提升機專用變頻器，其技術參數(shù)：Shd=100KVA，Phd=75KW，I2hd=147A（4/5min負載周期重載應用）。變頻器配用的4個脈沖編碼器為NTAC-02，其技術參數(shù)：fmax=100KHz，Vcc=24VDC，1024ppr，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信號輸出。如圖1所示，每個起升機構2臺驅動變頻器之間提供同步控制功能的主從控制宏通過變頻器主機與從機通道CH2之間的主/從通訊鏈接實現(xiàn)。起重機的各種操作信號只送給主機變頻器，從機變頻器經(jīng)由主從光纖通訊鏈路受控于主機變頻器，在本例中主傳動是典型的速度控制，從機變頻器跟隨主機的速度給定。用于速度閉環(huán)控制的脈沖編碼器模塊NTAC-02連接于相對應變頻器的通道CH1，且必須設置下列參數(shù)：①50.04ENCODERCHANNEL：CHANNEL1；②70.03CH1BAUDRATE：4Mbit/S。
3.3再生能量的處理
當采用變頻器傳動的起升機構拖動位能性負載下放運行時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構的機械能轉換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當中間直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器將過電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案。①在中間直流回路設置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動力制動；②采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動。動力制動方式控制簡單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動。回饋制動方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時制動，但控制復雜、成本較高。應該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下（電網(wǎng)壓降不大于10%），才可以采用回饋制動方式。對于采用滑觸線供電的門式起重機，應特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點，應采用動力制動方式，以保證起升機構持續(xù)下降時調(diào)速制動的可靠性。因此，1100t門式起重機的變頻調(diào)速系統(tǒng)采用動力制動方式處理各運行機構的再生能量。關于各機構采用動力制動方式后的元器件選用和計算,可參閱參考文獻2，限于篇幅，此不贅述。
按照制動單元和制動電阻選型、計算公式進行換算，雙起升機構的每臺變頻器ACC601-0120-3配用2臺ABB公司的NBRA-659型制動單元，其技術參數(shù)：PBRmax=352.8KW；每臺制動單元配置并聯(lián)連接的2臺SAFUR200F500型制動電阻,其技術參數(shù)：PRcont=13.5KW，R=2.7Ω，ER=5400KJ（400秒鐘工作周期）。
4系統(tǒng)調(diào)試
4.1通電前的檢查
在變頻器外圍接線檢查中應注意以下幾個方面：
（1）電源線應與R、S、T端子連接，絕對不能連至U、V、W端子上。制動單元與變頻器連接時，注意其正負極性應與變頻器直流母線正負極性相一致，制動電阻與制動單元連接時，不能存在短路、接地現(xiàn)象。
（2）端子、連接器的螺釘是否緊固。端子之間，外露導電部分有無短路、接地現(xiàn)象。所有接地端子必須良好接地。
（3）主從連接、擴展DI模塊與變頻器之間的光纖連接是否正確，制動單元內(nèi)部的電壓等級跳線是否正確。
（4）起升、大小車機構的機械制動器是否安全，制動器接線是否正確。
4.2雙起升機構變頻器系統(tǒng)功能參數(shù)設置
ACC600系列變頻器在出廠時，所有的功能碼都已設置。但是，1100t門式起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求與工廠設定值不盡相同，所以，一些重要的功能參數(shù)需要重新設定。
（1）啟動數(shù)據(jù)（參數(shù)組99）
參數(shù)99.2（應用宏）：M/FCTRL(在提升機應用上增加主/從總線通訊功能)；參數(shù)99.4（電機控制模式）：DTC(直接轉矩控制)；參數(shù)99.5—99.9（電機常規(guī)銘牌參數(shù)）：按照電機的銘牌參數(shù)輸入。
（2）數(shù)字輸入（參數(shù)組10）
參數(shù)10.1—10.13（數(shù)字輸入接口預置參數(shù)）：按照變頻器外圍接口定義進行設置，限于篇幅，此不贅述。
（3）限幅（參數(shù)組20）
參數(shù)20.1（運行范圍最小速度）：-750rpm；參數(shù)20.2（運行范圍最大速度）：750rpm；參數(shù)20.6（直流過壓控制器參數(shù)）：OFF（本例中ACC600變頻器使用了動力制動方式，此參數(shù)設為OFF后，制動斬波器才能投入運行）。
（4）脈沖編碼器（參數(shù)組50）
參數(shù)50.1（脈沖編碼器每轉脈沖數(shù)）：1024；參數(shù)50.3（編碼器故障）：FAULT（編碼器發(fā)生故障后變頻器顯示故障并停機）。
（5）提升機（參數(shù)組64）
參數(shù)64.2（連續(xù)變速選擇）：True；參數(shù)64.3（高速等級1）：99%；參數(shù)64.10（控制類型選擇）：STEPRADIO；參數(shù)64.16（分段給定等級4）：98%。
（6）邏輯管理（參數(shù)組65）
參數(shù)65.2（電動機停止后保持電動機磁場ON的時間）：1S；參數(shù)65.3（ON脈沖延時時間）：1S。
（7）轉矩驗證（參數(shù)組66）
參數(shù)66.1（轉矩驗證選擇）：True。
（8）機械制動器控制（參數(shù)組67）
參數(shù)67.3（制動內(nèi)部確認選擇）：主機設為False,從機設為True。
（9）功率優(yōu)化（參數(shù)組68）
參數(shù)68.1（功率優(yōu)化選擇）：True(功率優(yōu)化有效)；參數(shù)68.2（基速）：50%；參數(shù)68.3（自動調(diào)節(jié)選擇）：True(自動調(diào)節(jié)有效)；參數(shù)68.4（向上的總慣量）：10kgm2；參數(shù)68.5（向下的總慣量）：10kgm2。
（10）給定管理（參數(shù)組69）
參數(shù)69.1（對應100%給定設置電機速度）：1500rpm；參數(shù)69.9（起動轉矩選擇）：AUTOTQMEM（自動轉矩記憶）。
（11）主從控制（參數(shù)組72）
參數(shù)72.1（主從傳動運行模式）：MASTER（起升機構主機變頻器設置）或FOLLOWER（起升機構從機變頻器設置）；參數(shù)72.2（從機的模式選擇）：SPEED（從機處于速度控制模式）。
（12）可選模塊（參數(shù)組98）
參數(shù)98.1（脈沖編碼器模塊選擇）：YES（表示安裝了脈沖編碼器模塊）；參數(shù)98.5（擴展模塊選擇）：主機YES（表示安裝了擴展DI模塊），從機NO（表示沒有安裝了擴展DI模塊）。
4.3試運行
變頻調(diào)速系統(tǒng)的功能參數(shù)設定完后，就可進行系統(tǒng)試運行。雙起升機構應先在每臺變頻器操作盤上進行速度給定，手動起動變頻器，讓起升電機空載運轉幾分鐘。注意觀察電機的運轉方向是否正確，轉速是否平穩(wěn)，顯示數(shù)據(jù)是否正確，溫升是否正常，加減速是否平滑等；其次還要注意觀察主鉤在下降過程中，制動單元和制動電阻工作是否正常。單臺變頻器試運行正確后，再接入脈沖編碼器模塊進行速度閉環(huán)調(diào)試，最后進行主從連接，試運行起升機構變頻調(diào)速系統(tǒng)。在主從連接調(diào)試中，如果出現(xiàn)TORQFLT故障報警時，在排除脈沖編碼器與電機接線和參數(shù)設置無誤的情況下，可將一臺電機上脈沖編碼器的A/B兩組信號倒換，可排除此故障，這是由于兩臺起升電機旋轉方向相反的緣故。
在功率優(yōu)化功能調(diào)試中，除了按照ACC600用戶手冊中功率優(yōu)化的調(diào)試步驟外，還要注意用戶手冊中尚未提及的64組參數(shù)的正確設置。當參數(shù)64.16（分段給定等級4）的設定值＞參數(shù)64.3（高速等級1）的設定值時，HighSpeedOK信號失效，功率優(yōu)化功能直接啟用；當參數(shù)64.16的設定值＜參數(shù)64.3的設定值時，HighSpeedOK信號為“ON”狀態(tài)時，功率優(yōu)化功能才啟用，HighSpeedOK信號為“OFF”狀態(tài)時，功率優(yōu)化功能關閉。
起升變頻器手動運行無誤后，就可接入PLC控制系統(tǒng)，進行整機聯(lián)調(diào)。整機聯(lián)調(diào)中，關鍵要注意觀察變頻器起動與停止時，主鉤機械制動器的開閉反應是否快速，主鉤是否存在溜鉤現(xiàn)象等。其次還要注意觀察主鉤在下降過程中，制動單元和制動電阻投運后，其溫升是否正常。大車機構在運行前，應確保液壓夾軌器全部打開。
5結束語
本文提出的采用ACC600直接轉矩控制技術（DTC）變頻調(diào)速控制方案和設計計算方法已成功應用于我公司給中國一重集團制造的目前我國起吊量最大的門吊——1100t變頻調(diào)速門式起重機，該門吊已在神華集團的煤液化基地投入正常運行。經(jīng)過一年多的實際運行證明，PLC控制的變頻調(diào)速系統(tǒng)，不但線路大為簡化，而且各項調(diào)速性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的繞線異步電動機轉子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷和顯示功能，使整個調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。1100t變頻調(diào)速門式起重機電控系統(tǒng)還涉及到PLC、人機界面等器件的自動控制，限于篇幅，均未討論。
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