ACS800變頻器在起重機(jī)中的應(yīng)用策略

蔣炳杰

（中鐵福船海洋工程有限責(zé)任公司，福州 350000）

過去起重機(jī)主要采用傳統(tǒng)的調(diào)速模式，即通過電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路與電阻串聯(lián)來調(diào)節(jié)起重機(jī)的速度。雖然傳統(tǒng)模式應(yīng)用較為廣泛，但存在振動(dòng)劇烈、沖擊頻繁以及速度不平穩(wěn)等問題，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。特別是在工作條件較為惡劣，同時(shí)具有高溫、高濕以及粉塵較大的特點(diǎn)的生產(chǎn)環(huán)境，傳統(tǒng)模式的調(diào)速方法應(yīng)用效果不佳，不能充分發(fā)揮自身作用。ACS800變頻器因其啟動(dòng)過程和制動(dòng)過程更加平穩(wěn)，同時(shí)節(jié)能效果良好，所以可以在起重機(jī)中獲得更好的應(yīng)用效果。

1 傳統(tǒng)起重機(jī)傳動(dòng)控制存在的不足

1.1 傳動(dòng)性能不足

過去起重機(jī)采用傳統(tǒng)形式的調(diào)速系統(tǒng)，即采用轉(zhuǎn)子串接電阻形式實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)速操作，但是不能同步改變轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)不具有良好的機(jī)械特性，并整體呈現(xiàn)出傳動(dòng)性能不足的情況。

1.2 可靠性不足

在起重機(jī)采用傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)的過程中，操作人員需要不斷采用反接制動(dòng)形式進(jìn)行穩(wěn)鉤。在大電流狀態(tài)下，接觸器頻繁分合可能導(dǎo)致其中的接觸點(diǎn)出現(xiàn)燒結(jié)情況，且可能燒毀電阻。如果相應(yīng)的保護(hù)措施不夠完善，還有可能燒毀電動(dòng)機(jī)；制動(dòng)閘皮在數(shù)次受到嚴(yán)重沖擊后將會(huì)出現(xiàn)越來越嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致檢修頻率上升；繞線式電動(dòng)機(jī)中的滑環(huán)和電刷也極易出現(xiàn)損壞[1]。

1.3 增加能耗

起重機(jī)通常在低速狀態(tài)下運(yùn)行，因此轉(zhuǎn)子串接電阻能夠消耗大量轉(zhuǎn)差功率。

1.4 維修成本較高

因?yàn)槠鹬貦C(jī)出現(xiàn)故障的頻率較高，對(duì)其維修不僅涉及人力和物力，還會(huì)影響起重機(jī)的正常運(yùn)行，所以整體維修成本較高。

2 ACS800變頻器

ACS800變頻器主要采用直接轉(zhuǎn)矩控制（Direct Torque Control，DTC）形式。在轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速均可得到實(shí)時(shí)計(jì)算，且動(dòng)態(tài)或靜態(tài)精度均相對(duì)較高。相對(duì)于其他形式的控制方法，ACS800變頻器采用DTC形式的速度更快，可以將響應(yīng)時(shí)間控制在5 ms之內(nèi)，同時(shí)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)存在的不足，也可有效改善在轉(zhuǎn)矩開環(huán)變頻器中存在的低速段轉(zhuǎn)矩不足的情況，其中零速轉(zhuǎn)矩已經(jīng)上升至200%，充分滿足了位能性負(fù)載的各項(xiàng)要求。另外，ACS800變頻器包含提升專用軟件，同時(shí)配備有多種接口，如總線控制、本地控制以及端子控制。它還可以再次劃分端子控制，分別為無線電控制、電位器控制以及手柄控制等，其中包含不同的專用功能，如轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證、預(yù)勵(lì)磁、閘控邏輯以及功率優(yōu)化等。優(yōu)化ACS800變頻器的外圍結(jié)構(gòu)有利于提升其可靠性和安全性。如果起重機(jī)需要數(shù)臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，那么可在其中應(yīng)用多臺(tái)ACS800變頻器，借助主從控制功能開展同步控制工作[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 起重機(jī)控制系統(tǒng)特性

3.1 機(jī)械制動(dòng)器釋放

在全部系統(tǒng)中，電機(jī)均已安裝機(jī)械式電機(jī)安全制動(dòng)器，同時(shí)主、副起升以及變幅絞車中包含液壓式卷筒安全制動(dòng)器。操作人員控制操縱桿，即可啟動(dòng)電機(jī)扭矩。啟動(dòng)電機(jī)制動(dòng)器和相應(yīng)的卷筒制動(dòng)器，起升機(jī)構(gòu)進(jìn)入速度控制狀態(tài)，動(dòng)作停止，電機(jī)制動(dòng)器速度為零，并立即進(jìn)行抱合[3]。

起重機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，主起升和變幅絞車相應(yīng)的卷筒制動(dòng)器能夠打開，并切換至關(guān)機(jī)狀態(tài)或待命狀態(tài)進(jìn)行抱合。另外，絞車緊急停止或因報(bào)警而停止時(shí)也能夠進(jìn)行抱合。操作人員控制操縱桿進(jìn)行過偏轉(zhuǎn)，打開副起升絞車相應(yīng)的卷筒制動(dòng)器。起重機(jī)切換至關(guān)機(jī)狀態(tài)或待命狀態(tài)時(shí)、絞車緊急停止或因報(bào)警而停止時(shí)、載人模式中速度為零時(shí)，卷筒制動(dòng)器均可立即抱合。

3.2 系統(tǒng)速度斜坡

起重機(jī)控制系統(tǒng)存在3個(gè)速度斜坡，分別為正常啟動(dòng)和停止時(shí)速度斜坡、報(bào)警停止時(shí)速度斜坡以及受控緊急停止時(shí)速度斜坡。正常啟動(dòng)和停止時(shí)速度斜坡即操作人員在需要進(jìn)行加速或減速時(shí)，偏轉(zhuǎn)操縱桿由零開始直至最大速度或由最大速度開始降至零的過程中對(duì)應(yīng)的速度斜坡。受控緊急停止時(shí)速度斜坡即處于受控緊急停止?fàn)顟B(tài)下系統(tǒng)能夠自動(dòng)斜降，同時(shí)操作人員的操作會(huì)被系統(tǒng)忽略，且運(yùn)動(dòng)能夠在指定時(shí)間內(nèi)由最大速度開始斜降至零。受控緊急停止時(shí)，如果零速狀態(tài)反饋至系統(tǒng)，制動(dòng)器將進(jìn)行抱合。

4 ACS800變頻器在起重機(jī)中的應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)傳動(dòng)配置

第一，在全回轉(zhuǎn)起重機(jī)中，4臺(tái)回轉(zhuǎn)電機(jī)各使用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)，并在電機(jī)軸尾位置安裝速度編碼器，可以及時(shí)反饋運(yùn)行速度。第二，變幅機(jī)構(gòu)配置方案與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)一致。第三，主起升機(jī)構(gòu)需要使用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)起升專用電機(jī)，且電機(jī)軸尾位置需要安裝一臺(tái)速度編碼器和一臺(tái)位置絕對(duì)值編碼器，以反饋速度并進(jìn)行控制檢測(cè)。第四，全部變頻器均采用斬波器聯(lián)合制動(dòng)電阻的形式，以便實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。第五，全部變頻器中均包含RPBA-01型號(hào)的接口卡件，同時(shí)配有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線接口[4-5]。

4.2 電氣控制系統(tǒng)

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為電氣控制系統(tǒng)中的核心控制器件，采用工業(yè)控制方式控制現(xiàn)場(chǎng)總線，使得PLC、觸摸屏、遠(yuǎn)程輸入/輸出（Input/Output，I/O）以及各個(gè)機(jī)構(gòu)的變頻器共同聯(lián)結(jié)，從而更加有效地控制電纜，提高了系統(tǒng)的可靠性。總線結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

第一，在司機(jī)室安裝觸摸屏，操作人員發(fā)出指令，觸摸屏可以全面顯示系統(tǒng)中的各項(xiàng)工況信息，可為各項(xiàng)操作和維修工作提供便利。第二，其他控制柜中安裝遠(yuǎn)程I/O和PLC，并收集現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)器件和變頻器狀態(tài)信息，同時(shí)可以控制繼電器動(dòng)作和接觸器動(dòng)作。第三，鎖相值（Phase Locking Value，PLV）通信和變頻器中應(yīng)用通信模塊，通過總線下載變頻器的速度指令和控制指令，有效推動(dòng)各個(gè)機(jī)構(gòu)工作。

4.3 變頻器與PLC通信

系統(tǒng)選擇采用現(xiàn)場(chǎng)總線形式替代傳統(tǒng)形式的開關(guān)量或模擬量來控制變頻器。因此，小車和起升變頻器均需要借助選件模塊與總線進(jìn)行連接。操作人員需要綜合考慮數(shù)據(jù)傳輸過程的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性，數(shù)據(jù)傳輸格式為PPO-5，波特率為187.5 kBaud。開始使用總線結(jié)構(gòu)后，系統(tǒng)還可進(jìn)一步改善，如布線更加簡(jiǎn)潔、給定更加穩(wěn)定、可有效避免模擬量給定抖動(dòng)情況以及速度連續(xù)性更好等。

4.4 制動(dòng)器控制

一般來說，起升機(jī)結(jié)構(gòu)中需要采用延時(shí)繼電器控制松閘，但是難以確定延時(shí)時(shí)間。如果延時(shí)時(shí)間過長(zhǎng)，電機(jī)將出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)堵轉(zhuǎn)的情況，且輕載狀態(tài)下極易出現(xiàn)啟動(dòng)過猛的情況；如果延時(shí)時(shí)間過短，在重載過程中，將有可能因電機(jī)力矩不足而出現(xiàn)溜鉤情況。ACS800變頻器具有預(yù)加力矩和轉(zhuǎn)矩驗(yàn)證兩項(xiàng)功能。系統(tǒng)可在適宜位置自動(dòng)返回PLC，從而保障電機(jī)在松閘前完成預(yù)加力矩操作。

各個(gè)機(jī)構(gòu)中，抱閘均具有ABB變頻器速度監(jiān)控功能。制動(dòng)時(shí)，先由變頻器進(jìn)行減速，呈現(xiàn)低速狀態(tài)后傳輸至PLC，待PLC讀取狀態(tài)后進(jìn)行抱閘，即為軟制動(dòng)。該制動(dòng)模式有利于提升制動(dòng)過程的安全性，延長(zhǎng)制動(dòng)器的使用壽命，減少工作機(jī)構(gòu)受到的沖擊。

5 起重器的操作

5.1 啟動(dòng)

開始操作前應(yīng)該檢查整機(jī)和全部部件，確認(rèn)作業(yè)區(qū)域內(nèi)無障礙物。當(dāng)起重機(jī)狀態(tài)切換至運(yùn)行時(shí)，需要注意檢查操縱桿和腳踏板的偏轉(zhuǎn)情況。如果存在偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，那么起重機(jī)的啟動(dòng)程序?qū)⒈卉浖柚?，以免發(fā)生意外。在檢查作業(yè)的過程中，操作人員應(yīng)該選擇適宜的負(fù)載曲線和合理的操作模式。若未選擇負(fù)載曲線，起重機(jī)的操作將會(huì)受到阻止。

5.2 主、副起升的上升和下降

通過控制操縱桿的動(dòng)作來控制主吊鉤和副吊鉤，以實(shí)現(xiàn)絞車的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。向前側(cè)推動(dòng)操縱桿，吊鉤可下降；向后側(cè)拉動(dòng)操縱桿，吊鉤可上升。通過應(yīng)用起重機(jī)左控制臺(tái)U5和U6兩個(gè)操縱桿，可以控制起重機(jī)的上升、下降、左旋以及右旋。

6 結(jié)語

在起重機(jī)中應(yīng)用ACS800變頻器，能夠體現(xiàn)其調(diào)速范圍大、應(yīng)用效果好等優(yōu)勢(shì)，使得設(shè)備在啟動(dòng)、運(yùn)行以及停止過程中具有更高的平穩(wěn)性，從而減少設(shè)備磨損，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。