橋式抓斗起重機變頻拖動方案

一、對象和目的：
對象：式抓斗起重裝置(簡稱：橋抓)的電力拖動系統。包括“開閉”、“提升”、“大車”、“小車”的拖動及控制。
目的：利用變頻調速、無速度反饋矢量控制技術實現機械傳動裝置的頻繁啟/停、變速及正/反轉換，解決原串阻變速的高能耗、低力矩以及電沖擊對電機、鋼繩、剎車裝置的沖擊，達到高效、節能、故障率低的目的。
二、“橋抓”負荷特性及原拖動系統的分析
1、橋抓運行由三個基本獨立的拖動系統構成：
○1、吊鉤拖動系統(垂直)開閉和卷揚；
○2、大車拖動系統(橫向)；
○3、小車拖動系統(縱向)。
2、負荷特點和對拖動系統的要求。
○1、負荷特點：
各拖動系統的負載轉矩TL與阻力FL和回轉半徑RL的關系：TL=FLRL大車和小車拖動系統中FL是摩擦力吊鉤拖動系統中FL是被吊物和吊斗本身的重量和由此可見TL與速度無關，是恒轉矩特性。
○2、對拖動系統要求必須滿足橋式抓斗的技術要求大、小車拖動系統較一般；重點是對吊鉤拖動系統的要求。在一個（抓、提、放、降）全過程中，電動機的有效轉矩線應是恒轉矩的，應有足夠大的起動轉矩；重物下降時，為了克服重物自身加速度而不斷加速，電動機必須產生足夠的制動轉矩，使重物在所需轉速下平穩下降。重物在空中停住前后，不能發生“溜鉤”。
3、制動裝置與啟停時間的時序配合必須精確、可調：
如圖：升速和降停。
4、原拖動系統的主電路(見圖)
○1、選用電機：繞線式異步電動機；
○2、調速方法：串阻；
○3、制動方法：電磁或液壓。
○4、存在問題：
A、繞線式電機，串阻調速，體積龐大：接觸器、控制箱、電阻箱能耗大；故障環節多：滑環、碳刷、接觸器。串阻調速在每一速度段力矩變化大。
B、機械制動無過渡加/減速，電機沖擊大。鋼絲繩制動受力大，易斷。剎車沖擊大，易損壞。
C、主令操作器流過電流大，易損壞。
D、由于橋抓運行每一周期接觸器、滑環、碳刷、機械制動；抓煤、提升、開斗、下降，都要運作一次。負荷、力矩、工況都要頻繁變化，因此對所有元器件可靠性及壽命要求很高，一般難于避免各種故障。
三、變頻調速拖動系統
1、優點
①、可以實現軟啟和無級調速；
②、省去接觸器、電阻箱、滑環、碳刷等節省體積重量；
③、直接將損耗在電阻箱上的電能返回到電網，實現節能運行，節電率可達到30%以上；
④、可解決原拖動系統的一些問題。
2、需要解決的問題
由于是半導體出力，其經受過載能力比電機直接拖動
差，因此必須解決和處理如下技術問題。
①、 起動力矩(提升)特別是懸空起動的力矩；
②、 再生能量釋放對變頻器的威脅；
③、 解決變頻器啟/停時間與剎車動作時間的時序關系，確保安全前提下，實現軟啟/停，最大限度地減少啟動電流。
④、 在變頻器額定電流范圍內，盡量縮短加/減速時間，使“橋抓”的工作效率不受影響。
3、過去變頻拖動，由于上述技術問題，需要設計外圍線
路來配合。如圖：升速和降停。
①、變頻器本身起動力矩不夠，要求與制動配合較為嚴格，給設計、調試、維護造成麻煩，而且隨著運行時間，環境好壞而變化等等。
②、起動升速時間不能很快，效率低。
③、可靠性差
總之，過去由于變頻器技術及經濟方面原因的限制，不可能有得以在橋抓上的廣泛應用。
四、橋抓變頻拖動控制裝置
1、系統方案（見方框圖）
參照方框圖，系統由下列單元組成
變頻器（INV）
能量回饋制動單元（IPC-PF）
控制單元（PLC）
操作臺（OPE）：（主令操作器及電源箱）
電動機（D）
其相互連接見方框圖
2、選型
根據上述系統方案對各單元進行設計選型是非常重要的。
①、變頻器
本拖動控制系統的出力及主要功能均通過變頻器給出，因此對它有特別高的要求。
本裝置選用的變頻器，除了一般的功能外，其具備：
A、高起動力矩，0+Hz頻率下 150%額定力矩
0.5Hz頻率下 200%額定力矩
這一功能可以滿足橋抓經常懸空提升，懸空下降的操作要求，以確保低速啟動過程中不會“遛鉤”。
B、無傳感矢量控制及電機參數在線自整定功能：
這一功能確保了在額定電流范圍內的快速啟/停的可能。抓斗變頻器其上升加速時間（0 50Hz）≥1.0秒、減速時間（50 0Hz）≥0.9秒；大、小車變頻器：其加速時間（0 50Hz）≥2.5秒、減速時間（50 0Hz）≥2.0秒。電動機運行過程中，由于發熱R、L等參數發生變化，影響矢量控制，變頻器會自動在線整定，當電機溫度發生變化時，自動調整變頻器參數，適應電機因溫升而發生變化，確保任何溫度下，維持力矩的恒定。
C、具有內置專門用于升降時序功能PLC，通過對它的參數設定處理,變頻器啟動加速與剎車動作；停止減速與剎車動作的合理時序配合，使抓斗升/降既平滑無沖擊又安全可靠(不溜鉤，不過載跳閘)
②、能量回饋制動單元
橋抓運行X-Y-Z三維均存在停機時再生能量的處理問題，特別是升降的電機在下降時處于強發電狀態，這部分能量很大，返回變頻器。將造成變頻器過電壓跳閘，甚至損壞。因此選擇能量回饋制動單元直接將下降時產生的勢能轉化為電能返回到電網是非常重要的。
本裝置選用原裝進口IPC-PF能量回饋制動單元其優點如下：
雙向自動電壓跟蹤方式
反應時間2ms以下，多重噪聲過濾算法 制動力矩最大150%
回饋方式為正弦波電流方式
電流畸變5%以下
內置電抗器和噪聲濾波
五、橋抓拖動及控制裝置主要配置
1、主柜(開閉和提升)
※ 變頻器 (內置抱閘時序PLC) 2臺
分別拖動開閉和提升電動機
※ 能量回饋單元 IPC-PF 2臺
提升變頻器 配1臺
開閉變頻器 配1臺
※ 控制單元（包含外配PLC）
(操作臺的運行指令通過控制單元與變頻器連接；
變頻器對外動作也需要通過控制單元)
所采用的PLC元、器件、零部件均為OMRON、LG、
SIMENS原廠產品。安全可靠。
※ 柜體：1400×1600×420 （長×高×寬）
防護等級IP44
2、副柜(大、小車)
※ 變頻器 (內置抱閘時序PLC) 1臺
拖動2臺大車電機
※能量回饋制動單元 IPC-PF 1臺
※ 變頻器 (內置PLC及能耗制動單元)
拖動小車電機 1臺
放電電阻 1組
※ 控制單元 (同主柜)
※ 柜體1000×1600×420（長×高×寬）
防護等級IP44
六、其它配套
1、開閉、提升、大、小車電機，均為起重專用電機。
2、主電源柜，設置門控及安全防撞行程開關。
3、主令操作器，按設計要求配置。
均為正/負三檔及零檔設置。
4、所有制動電機與拖動電機分別控制(見主接線圖)。
5、限位開關接至本裝置(見外部接線圖)。
6、大、小車限位開關、可設雙道卡，第1卡強制減速，
第2卡立即全力制動停車，（由變頻柜實現）