匯川MD320變頻器在鐵路局貨場20T門式起重機中的應用

　　摘 要：本文主要講述匯川MD320系列矢量變頻器在鐵路貨場20T門式起重機中的運用，以及PLC、觸摸屏在變頻調速中的靈活應用。
　　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.
　　關鍵詞: 變頻器 門式起重機 PLC
　　一 引言
　　 門式起重機是一種用來起吊、放下和搬運重物、并使重物在一定距離內水平移動的起重、搬運設備，在生產過程中有著重要應用。
　　 傳統的門式起重機調速方法如:繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等，它們共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，要求定期維護，由集電環和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高，而且調速系統的綜合技術指標較差，已不能滿足工業生產的特殊要求。
　　交流變頻調速傳動具有以下特點；
　　A.可以使普通異步電動機實現無級調速。
　　B.啟動電流小,減少電源設備容量。
　　C.啟動平滑,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.具有顯著的節電效果。
　　由于交流變頻調速傳動技術具有上述特點，已開始取代直流調速裝置，成為現代電氣傳動的發展方向。 其調速原理如下: 從電源端輸入三相交流電至變頻器后，經整流濾波變換為直流電，再通過電子開關電路轉換為頻率及電壓均可調的三相交流電，然后經濾波后輸出，作為電動機的輸入電源。
　　我國起重機開始采用變頻器進行調速控制大約在80年代后期，那時大多是V/F比控制的變頻器，變頻無級調速的平穩性、可控性和節能等特點為交流異步電動機驅動的門式起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠異步電動機，并且高效、節能，其外圍控制線路簡單，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.隨著變頻技術的不斷發展，專業起重機生產企業也把眼光投向這一高技術領域，并針對起重機作業的特點，深入開展變頻調速系統的研究。所以，采用交流變頻調速是門式起重機交流調速技術發展的主流。
　　其次,PLC的基本、應用指令和觸摸屏的人性化界面設計，使每個操作司機都能夠迅速的適應并掌握本臺車的操作習慣，多達86個操作畫面，及故障信息查詢畫面，使維修人員能夠迅速的查出故障原因并排除。
　　
　　二 20T門吊的電氣結構
　　本文針對匯川變頻器和三菱PLC在鄭州鐵路局下屬某貨場20T門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, 大車速度: 47.9米/秒, 小車速度: 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
　　大車電機 4臺 8極普通異步電機 7.5KW
　　小車電機 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
　　采用變頻器驅動異步電動機調速，通常應根據異步電動機的額定電流來選擇變頻器，或者根據異步電動機實際運行中的電流值（最大值）來選擇變頻器，通常令變頻器的額定電流≥（1.05~1.10）電動機的額定電流或電動機實際運行中的最大電流。而在起重機行業,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要對其容量進行放大處理.
　　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
　　大車電機為8極電機,7.5KW, 大車變頻器型號為MD320T-45KW
　　小車電機為6極電機,11KW, 小車變頻器型號為MD320T-37KW
　　PLC 選兩臺60點PLC即FX1N-60MR. 觸摸屏選為PWS-6600 ,
　　低壓電器全部采用施耐德進口器件.
　　它的基本框圖如下:
　　

　　框圖解釋
　　 本電氣系統采用兩個PLC作為整個系統的數據及邏輯處理核心, 主要有以下優點:
　　a) 使整個系統的程序分為主鉤程序和大小車程序, 便于調試, 將大小車的運行狀態通過編碼程序傳送給PLC0, 進而在觸摸屏上顯示出來.
　　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多個畫面組成, 內容包括系統的運行狀態, 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, 大小車變頻柜, 電阻柜.
　　起升變頻系統用一臺PLC來控制主鉤變頻器的升降, 并與觸摸屏通訊。如圖:
　　 大小車系統合裝在一臺柜內,共用一臺PLC,其中PLC將大小車的運行狀態, 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.如圖:
　　 電阻柜由于要吸收掉變頻器的再生能量, 發熱, 溫度比較高,故放在配電房外,為戶外安裝.
　　 為保證柜內元器件的散熱, 每臺柜內都加裝兩臺軸流風機散熱. 同時配電房內也安裝了冷暖空調.
　　 在設計過程中，主要要考慮以下問題:
　　1) 主鉤在上升或下降時的防溜鉤問題
　　在電磁制動器抱住之前和松開后的瞬間，極易發生重物由停止狀態下滑而產生溜鉤。在這個問題上主要應考慮變頻器運行時與電磁制動器接觸器吸合的配合時間，若在上升，下降過程中制動器打開過早，易出現溜鉤，打開過晚，變頻器容易報故障，在停車過程中，若抱閘過早，變頻器容易報故障，抱閘過晚易出現溜鉤。所以，解決此問題的關鍵主要有兩點:
　　（1) 起吊重物停住控制要點
　　通過設定停止起始頻率,和維持時間 (應大于制動電磁鐵抱閘時間0.6s)，當變頻器的工作頻率下降到時, 變頻器輸出一個“頻率到達信號”，發出制動電磁鐵斷電指令，此時維持一段時間，隨后變頻器工作頻率降為0Hz。
　　（2) 起吊重物升降控制要點
　　設定“升降起始頻率 和“檢測電流時間，當變頻器達到的同時，變頻器開始檢測電流，確認電流足夠大，產生的力矩能抵消下降力矩時發出松開指令，使制動電磁鐵開始通電松開抱閘，應大于電磁鐵松開時間。但還有其他參數及機械上的配合。譬如：變頻器的加減速時間, 電磁制動器彈簧的松緊程度等)。
　　2) 自動轉矩提升設置
　　大小車因為是一拖多運行,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的啟動特性。,其曲線參見下圖:
　　

　　3) 各傳動機構變頻器的功能參數設置
　　門式起重機各傳動機構采用的變頻器，其變頻器的功能參數設置如下表中。
　　

　　4) 能量回饋問題
　　主鉤變頻器在降頻過程中，或在下放過程中,電動機從電動狀態自動進入發電狀態，電動機由此獲得制動轉距。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電壓超過額定電壓，造成變頻器的損壞，同時又可獲得所需要的制動轉矩。
　　 起重機在再生能量的處理上，應用最多的是采用外接制動單元和制動電阻的方法，它的優點是將再生能量消耗在電機之外，電動機不發熱，適合頻繁工作。缺點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，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單元和制動電阻的方法來防止由于電動機產生的再生能量而引起的變頻器故障和損壞。
　　5) 加減速時間的切換問題
　　當鉤子剛吊著重物，吊繩有松到繃緊直到離開地面的過程中，鉤子的稱重量由0開始逐漸增加, PLC通過重量限制器輸出的信號自動選擇工作方式，變頻器升速時間也不一樣，這就需要一個加減速時間的切換的問題，我們設定空鉤的加減速時間為第一加減速，正常及滿鉤作業時為第二加減速，當重量達到分界線時自動切換到第二加減速時間，第一加減速時間要比第二加減速時間短才能適應吊車的快速作業。
　　三 電氣特點
　　 1) MD320變頻器簡介
　　 MD 系列變頻器代表未來變頻器的發展方向,主要開創了其領域的三個概念
　　1 它首創了新一代變頻器三層模塊化的結構標準，如圖:
　　

　　2 它首創了用戶需求進行電機驅動,通用功能,和專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：
　　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，從而實現轉矩的精確控制。
　　b) 靈活的模塊化設計，可根據客戶行業的不同需要靈活配置各種行業專用模塊、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) 優秀的伺服響應特性，對急速負載波動有很強的適應性。
　　e) 全系列獨立風道設計、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、專業化制作平臺。
　　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) 整個系統具有以下功能：
　　a) 起升電機工作在閉環矢量模式下, 通過旋轉編碼器信號反饋使在升降重物時對位更精確
　　b) PLC控制允許在線編程、在線修改、并對各種故障進行檢測
　　c) PLC通過重量限制器輸出的信號自動選擇工作方式
　　即: 當T≤0.6T時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時系統認為屬于正常作業也可以快速升降,但比空鉤梢慢(即最高運行頻率為60Hz)
　　當 13.5T≤T≤21.0T 時系統認為屬于滿鉤作業,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 時系統認為超載, 系統只能做下放動作,不能起升.
　　d) 故障中文檢測系統顯示包括起升、大、小車故障，能實時在線監控。超載、短路、過流、過電壓、低電壓、過熱、缺相等其它故障顯示，同時顯示故障解決辦法. 例如: 當發生”起升變頻器故障”時出現以下畫面:
　　

　　按故障速查后可出現以下畫面: 然后看變頻器所報的故障信息，比如: Err03
　　

　　按“Err03”出現下面畫面
　　

　　用戶可以很方便地查出故障原因并及時排除. 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、小車速度, 起升、大、小車制動器吸合次數, 工作時間，以及此時門吊所工作的狀態等。如:
　　

　　四 MD320系列變頻器在調試中的特點
　　1) 靜載實驗
　　 靜載實驗是將超過起吊重量的重物吊起然后離開地面一定高度并承受一定的時間.
　　在這里我們先將重量限制器的超載信號短接,使之無效,然后起吊1.25倍額定載荷重物,這里第一檢測了門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(特別是低速起升時)轉矩特性, 以及與制動器的配合情況. 此次檢測中發現當變頻器達到0.5Hz時, 抱閘松開, 沒發現有溜鉤現象發生.
　　 2) 聯動臺分為5段速度逐一傳遞給PLC,經處理后給變頻器, 在大,小車中每段速的頻率間隔為10Hz, 在減速過程中, 也是逐一退出, 速度變化平穩, 所以在工作中不會出現鉤頭晃動現象, 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, 快速的來回扳動聯動臺操作手柄, 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對門吊鋼結構的危害以及減少了對電網的沖擊。
　　五 效果分析
　　通過1年的運行, 和本貨場老系統(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, 電動機,電刷, 電阻的維修率大大降低,
　　2, 調速更加平穩, 低速時啟動轉矩很大,司機沒必要在吊特別重的貨物時先打到高速檔.
　　3, 系統啟動平穩, 減少了對減速機、連軸器、鋼絲繩的機械沖擊.
　　4, 也降低了對電網的沖擊.
　　5, 最顯著的優點是節約能源, 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
　　 實踐證明，用變頻器控制門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。
　　參考文獻
　　[1] 張燕賓. 變頻調速應用實踐. 北京:機械工業出版社，2000
　　[2] 吳忠智,吳家林. 變頻器應用手冊. 北京:機械工業出版社，2003
　　[3] MD320變頻器使用手冊V1.2