ACS800變頻器在造船門(mén)式起重機(jī)起升調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

姜 武，朱國(guó)興

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院南通分院，江蘇 南通 226011）

近年來(lái)，沿江沿海地區(qū)的造船企業(yè)蓬勃發(fā)展，造船門(mén)式起重機(jī)已成為造船企業(yè)的主要生產(chǎn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)最初是從國(guó)外全引進(jìn)，因此造價(jià)較高，并在十多年前開(kāi)始自行設(shè)計(jì)制造。當(dāng)時(shí)在電氣調(diào)速控制系統(tǒng)上，一般采用直流調(diào)速控制系統(tǒng)或異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，隨著變頻控制技術(shù)的日趨完善，目前已很少采用直流控制系統(tǒng)或轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，大部分造船門(mén)式起重機(jī)已越來(lái)越多的采用交流變頻控制系統(tǒng)，這樣做既降低了投資成本，又增加了設(shè)備可靠性，還提高了設(shè)備調(diào)速性能[1]。

本文采用ABB公司ACS800變頻器，以江蘇南通蛟龍200t造船門(mén)式起重機(jī)為研究對(duì)象，給出ACS800變頻器在造船門(mén)式起重機(jī)起升調(diào)速系統(tǒng)中的一種應(yīng)用方案。

1 起升機(jī)構(gòu)調(diào)速控制系統(tǒng)方案

1.1 起升機(jī)構(gòu)主要參數(shù)

（1）起重機(jī)工作級(jí)別：A5。

（2）起重量:上小車(chē)100×2 t，下小車(chē)主鉤100 t，副鉤20 t，上下小車(chē)空中翻身200 t，上下小車(chē)共抬起重量200 t。

（3）速度：上小車(chē)起升速度10米/分，下小車(chē)主鉤起升速度10米/分，副鉤起升20米/分。

1.2 起升機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩分析

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)矩:電機(jī)轉(zhuǎn)矩即由起升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，是主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，方向?yàn)檎ㄉ仙较颍┗蜇?fù)（下降方向）。

（2）重力轉(zhuǎn)矩：重物及吊鉤等作用于卷筒所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，其大小可用重物及吊鉤等的重量與卷筒半徑的乘積來(lái)計(jì)算；重力轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)樨?fù)。

（3）摩擦轉(zhuǎn)矩：由于減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大，因此，不可忽略減速機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩（包括其他損失轉(zhuǎn)矩）。摩擦轉(zhuǎn)矩的方向總與運(yùn)動(dòng)方向相反。

1.3 起升機(jī)構(gòu)調(diào)速控制系統(tǒng)的分析與選擇

直流調(diào)速具有過(guò)載能力大，調(diào)速比大，起制動(dòng)性能好，適合頻繁的起制動(dòng)，故障率低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，需要直流電源等。異步電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本低，易維修，但調(diào)速性能差[2]。變頻調(diào)速可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)連續(xù)控制，開(kāi)、閉環(huán)特性好，調(diào)速比可達(dá)1：100以上，調(diào)速精度±1%，調(diào)速平穩(wěn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)行，具有極高的定位精度，節(jié)能效果顯著，另省去了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻、切換交流接觸器和電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)交流接觸器，電機(jī)屬鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)類(lèi)、成本相對(duì)低廉，維修少，是理想的調(diào)速方案。

變頻調(diào)速有多種方式，變頻調(diào)速的恒壓頻比（V/F）控制方式在額定頻率以下，適合于需要較大調(diào)速范圍的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。在額定頻率以上工作時(shí)，這種控制方式用在額定轉(zhuǎn)速以上范圍調(diào)速，適合驅(qū)動(dòng)恒功率負(fù)載。

采用矢量控制方式的通用變頻器不但可以精確控制異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，而且在調(diào)速范圍上可與直流電動(dòng)機(jī)相匹配。準(zhǔn)確的被控異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)是矢量控制方式成功運(yùn)行的基礎(chǔ)，因此有時(shí)需要將異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)準(zhǔn)確地輸入通用變頻器，此外還需要使用速度傳感器和編碼器。

直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)直接在定子坐標(biāo)系下分析異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，利用空間矢量和定子磁場(chǎng)定向的分析方法，計(jì)算與控制異步電動(dòng)機(jī)的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點(diǎn)式滯環(huán)調(diào)節(jié)器（Band—Band控制）[3]，把轉(zhuǎn)矩給定值與轉(zhuǎn)矩檢測(cè)值作比較，從而使轉(zhuǎn)矩波動(dòng)限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來(lái)控制，并產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，直接對(duì)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行控制，以獲得高動(dòng)態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出，省去了通常的PWM脈寬調(diào)制信號(hào)發(fā)生器，因此控制信號(hào)處理的物理概念明確，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速，是靜、動(dòng)態(tài)性能均優(yōu)異的一種的交流調(diào)速控制方式。

根據(jù)以上分析，起升機(jī)構(gòu)采用ABB公司ACS800變頻器直接轉(zhuǎn)矩控制的交流調(diào)速系統(tǒng)。

1.4 ACS800變頻器基本性能與電氣接口示意圖

1.4.1 ACS800適合起重機(jī)的基本性能

（1）零速滿(mǎn)轉(zhuǎn)矩

由ACS800驅(qū)動(dòng)的電機(jī)能夠在零速起動(dòng)時(shí)獲得電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，即使沒(méi)有速度反饋也一樣可以。

（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩

DTC提供的精確的轉(zhuǎn)矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩(wěn)的最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；合理選擇的變頻器，能使最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到200%以上。

（3）精確控制

ACS800的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差在開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.4%s，在閉環(huán)應(yīng)用時(shí)為0.1%s。ACS800變頻器的靜態(tài)精度在開(kāi)環(huán)為電機(jī)滑差的10%，閉環(huán)為0.01%。

（4）快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩階躍響應(yīng)時(shí)間，在開(kāi)環(huán)應(yīng)用時(shí)能達(dá)到1~5ms。

（5）電源閃落時(shí)的運(yùn)行

ACS800將利用正在旋轉(zhuǎn)著的電機(jī)的動(dòng)能繼續(xù)運(yùn)行，只要電機(jī)旋轉(zhuǎn)并產(chǎn)生能量，ACS800將繼續(xù)運(yùn)行

1.4.2 變頻器電氣接口示意圖

變頻器電氣接口示意圖，如圖1所示。

2 主要部件選型

2.1 電機(jī)容量的選擇

電機(jī)容量可根據(jù)以下公式來(lái)選擇。

式中，

W 為額定載荷，是吊鉤和繩索的質(zhì)量，t；

ν 為額定速度，m/min；

η 為機(jī)械效率，η =ηGηR，其中，ηG為齒輪效率（90%~95%/1段）；ηR為滑車(chē)（繩索）效率（90%~97%/滑車(chē)1段）。

根據(jù)以上分析，小車(chē)主起升選用YZP355L110電機(jī)，額定功率110 kW，額定電流230 A，額定轉(zhuǎn)矩1769N·m，額定轉(zhuǎn)速585 rpm。

2.2 變頻器容量的選擇

變頻器容量可根據(jù)以下公式來(lái)選擇。

圖1 變頻器電氣接口示意圖

式中，

k 為過(guò)載系數(shù)，一般通用型變頻器取1.35；

PM為負(fù)載需求電動(dòng)機(jī)軸的輸出功率（kW）；

η 為電動(dòng)機(jī)效率；

cosα 為電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。根據(jù)以上分析，小車(chē)主起升選用ACS800-04-0260-3+P901+D150+L502+N652變頻器。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)適配器模塊的選擇

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)適配器模塊，ABB傳動(dòng)裝置可以連接到PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，其流程如下：

（1）向傳動(dòng)單元發(fā)出控制命令（起動(dòng)、停止、允許等）。

（2）向傳動(dòng)單元發(fā)送速度或轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)。

（3）向傳動(dòng)單元的PID調(diào)節(jié)器發(fā)送一個(gè)過(guò)程實(shí)際值或一個(gè)過(guò)程給定信號(hào)。

（4）從傳動(dòng)單元中讀取狀態(tài)信號(hào)和實(shí)際值。

（5）改變傳動(dòng)參數(shù)值。

（6）對(duì)傳動(dòng)單元進(jìn)行故障復(fù)位。

根據(jù)以上分析，小車(chē)主起升選用RPBA-01型PROFIBUS-DP模塊。

2.4 光電編碼器的選擇

光電編碼器，直接把角位移轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，檢測(cè)電機(jī)速度。編碼信號(hào)直接接入到變頻器中，驅(qū)動(dòng)器提供2對(duì)差分信號(hào)（A+、A-、B+、B-）作為反饋，Z+、Z-為方向信號(hào)。每轉(zhuǎn)一圈輸出1024個(gè)脈沖，從A、B兩相脈沖的脈沖個(gè)數(shù)和相位超前關(guān)系可以得到位置偏移量；而Z脈沖為每轉(zhuǎn)一圈輸出一個(gè)脈沖，用于伺服系統(tǒng)中的定位。

根據(jù)以上分析，小車(chē)主起升選用HLE45-1024L3F.AC光電編碼器。

3 主起升控制流程

主起升機(jī)構(gòu)的控制流程首先判斷主起升條件、動(dòng)力反饋、變頻器自身故障檢測(cè)；然后檢測(cè)主起升零位條件，判斷是否合乎總電源啟動(dòng)條件；最后在運(yùn)行過(guò)程中，不斷檢測(cè)限位信號(hào)和負(fù)載大?。ㄖ饕糜跈z測(cè)是否過(guò)載）；最后在與制動(dòng)器時(shí)序匹配的條件下，主起升電機(jī)通過(guò)加減速檔進(jìn)行工作，隨即進(jìn)行其他流程。

4 防溜鉤控制流程

由于重物自身有重力，在起升或下降重物時(shí)，必須有制動(dòng)器與電機(jī)相配，防止溜鉤，溜鉤控制流程如圖2所示。

圖2 防溜鉤控制流程

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用ABB公司ACS800變頻器,構(gòu)建了直接轉(zhuǎn)矩控制的起升機(jī)構(gòu)交流調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)際結(jié)果證明該系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了GB/T 27997-2011《造船門(mén)式起重機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

[1]郭 宏，于凱平.電機(jī)控制中心綜述[J].電氣傳動(dòng)，2007，36(3)：8-10.

[2]劉吉仿，李偉力，程樹(shù)康.異步變頻電機(jī)發(fā)展綜述[J].微電機(jī)，2007，40(6)：76-77.

[3]Rodriguez J，Pontt J，Kouro S.Direct torque control with im posed switching frequency in an 11-level cascaded inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004,51(4)：827-833.