抓斗行車變頻傳動(dòng)控制系統(tǒng)1

引言

行車在制造業(yè)有廣泛應(yīng)用，用來(lái)實(shí)現(xiàn)物體在三維空間中的轉(zhuǎn)運(yùn)。其中水平面上兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)分別由大、小車完成，稱為行走系統(tǒng);而垂直方向的運(yùn)動(dòng)則由起升機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)。大多數(shù)的行車通過(guò)釣鉤與被運(yùn)物體相連，而當(dāng)被運(yùn)物體為粉狀時(shí)，則需要通過(guò)抓料斗，這就是抓斗行車。其中專門(mén)負(fù)責(zé)升/降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)稱為主卷電機(jī)，另一臺(tái)閉合電機(jī)除了負(fù)責(zé)抓斗的打開(kāi)和閉合(丟料和抓料)外，抓斗升降時(shí)，它還會(huì)同主卷電機(jī)一起出力。

重鋼燒結(jié)廠現(xiàn)有抓斗行車3臺(tái)，均為串級(jí)調(diào)速加繼電器/接觸器控制方式，故障率高，維護(hù)和維修的費(fèi)用、時(shí)間均很大，給生產(chǎn)造成不良影響。現(xiàn)對(duì)其中3#行車進(jìn)行技術(shù)改造，采用變頻器和PLC，從根本上解決問(wèn)題。2

變頻電氣控制系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)原理

主卷和閉合機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速控制的配置圖如圖1、圖2所示，PLC的接線圖如圖3所示。

圖1、圖2中閉合和主卷機(jī)構(gòu)采用變頻器實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速，采用旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)現(xiàn)速度反饋，采用制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻以消耗下降過(guò)程中的再生電能。圖3是采用PLC接收來(lái)自聯(lián)動(dòng)操作臺(tái)和變頻器的狀態(tài)信號(hào)，控制變頻器、抱閘裝置、冷卻風(fēng)機(jī)等。下面分別闡述:

(1)抓斗行車相關(guān)參數(shù)

載重量(含抓斗自重):20t起升高度:25.6m跨度:31.5m

大車電機(jī):2×15kW

小車電機(jī):7.5kW

主卷電機(jī):90kW

閉合電機(jī):90kW

(2)行走系統(tǒng)

大、小車分別選用EV2000-4T0300G和EV2000-4T0011G變頻器各一臺(tái)，分別配置制動(dòng)組件，以消耗自由停車時(shí)剎車抱死電機(jī)軸所返回變頻器直流母線回路的剩余能量。其它，本文不詳細(xì)描述。

(3)主卷/閉合變頻器

變頻器選用具有電流矢量控制、力矩控制等功能的變頻器—愛(ài)默生TD3000-4T1320G各一臺(tái)，分別調(diào)節(jié)主卷電機(jī)和閉合電機(jī)速度。所選變頻器相對(duì)電機(jī)功率放大2檔。

(4)速度反饋(編碼器)

抓斗行車變頻改造的重大效能之一是可以實(shí)現(xiàn)主/閉電機(jī)出力均衡，通過(guò)主/閉變頻器力矩跟蹤來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，要求兩臺(tái)變頻器都必須同為閉環(huán)矢量控制方式，即，編碼器是必須的。

本系統(tǒng)選用韓國(guó)AUTONICS公司的E80H型編碼器，每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為512p/r。編碼器與電機(jī)軸的連接采用套軸式安裝。圖1

閉合機(jī)構(gòu)變頻控制配置圖圖2

主卷機(jī)構(gòu)變頻控制配置圖圖3

PLC接線圖

(5)制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻

抓斗下降過(guò)程中，電機(jī)為反向旋轉(zhuǎn)，但輸出力矩仍然為正方向，此時(shí)，電機(jī)工作于第二象限，其再生電能必須通過(guò)變頻器的直流回路進(jìn)行釋放，因此，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻是不可或缺的。經(jīng)驗(yàn)表明，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻的配置容量應(yīng)該相對(duì)于變頻器容量適當(dāng)放大，具體情況與行車起升高度、制動(dòng)單元的最大制動(dòng)使用率、電機(jī)和變頻器的配置余量以及制動(dòng)電阻散熱條件等環(huán)境因素有關(guān)。

由于抓斗下降過(guò)程是可能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)程，且無(wú)配重，因此，下降過(guò)程中的再生電能具有能量大、時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。這種特點(diǎn)要求制動(dòng)單元必須具備連續(xù)制動(dòng)(100%ED)能力，且直流電壓檢測(cè)和判斷時(shí)間應(yīng)足夠短，否則，極易造成變頻器直流回路過(guò)電壓，以至停機(jī)或失速。適當(dāng)選配制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻是非常重要的,而且它也需要借鑒于經(jīng)驗(yàn)。

(6)PLC

PLC用來(lái)實(shí)現(xiàn)以下邏輯控制:

(a)變頻器啟/?？刂?

(b)控制抱閘，使其與電機(jī)軸很好配合，即電機(jī)軸停止時(shí)抱閘抱住，既不提前，也不延后;

(c)主卷變頻器控制方式切換(速度控制/力矩控制)。

2.2系統(tǒng)功能

(1)安全連鎖功能

(a)行車上各個(gè)進(jìn)出口的門(mén)以及操作室的門(mén)在打開(kāi)狀態(tài)下，禁止操作;

(b)大、小車軌道兩端設(shè)限位開(kāi)關(guān)限制車體超越;

(c)沖頂限位;

(d)各操作手柄未處于零位置時(shí),上電被禁止;

(f)主卷和閉合變頻器中任意一臺(tái)變頻器報(bào)故障時(shí)，兩臺(tái)變頻器均立即停止輸出(自由停車)，同時(shí)抱閘合閘;

(g)任何時(shí)刻斷電,系統(tǒng)將立即停止，抱閘合閘;

(h)PLC故障時(shí)，各操作命令無(wú)效(PLC無(wú)輸出)，這時(shí)，抱閘合閘，行車處于安全停止?fàn)顟B(tài)。但不排除PLC誤輸出松閘信號(hào)，雖然這種概率極小，一旦出現(xiàn)這種情況，司機(jī)可按“急停”按鈕，切斷控制電源，使抱閘合閘。

(2)力矩跟蹤

抓斗上升和下降是由主卷電機(jī)和閉合電機(jī)共同運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)完成的。但抓料操作時(shí)，為了盡可能多抓料，必須使用“點(diǎn)動(dòng)降”使主卷鋼繩保持松弛，因此，當(dāng)抓料完成時(shí)，主卷鋼繩是松弛的。若兩臺(tái)變頻器都為速度控制方式，則不能解決主卷鋼繩和閉合鋼繩的受力平衡問(wèn)題，容易導(dǎo)致閉合電機(jī)、閉合變頻器、閉合鋼繩過(guò)載。

為此，設(shè)定閉合變頻器為速度控制方式，當(dāng)抓斗閉合狀態(tài)下上升時(shí)，主卷變頻器切換為力矩控制方式。其力矩指令來(lái)自閉合變頻器的輸出力矩。即主卷變頻器跟蹤閉合變頻器的輸出力矩，這就是力矩跟蹤功能。這樣，可以很滿意地解決兩臺(tái)電機(jī)的受力平衡。實(shí)際運(yùn)行中，二者的恒速運(yùn)行電流相差僅3A左右。

(3)重載軟啟動(dòng)/軟停車

EMERSON變頻器帶速度反饋的矢量控制方式保證在0~50Hz的范圍內(nèi)電機(jī)能瞬時(shí)輸出2倍額定力矩，響應(yīng)時(shí)間150ms，即剛啟動(dòng)時(shí)或減速停車將結(jié)束時(shí)，電機(jī)的力矩輸出能力仍然和高頻段一樣大，這可以確保消除啟/停時(shí)的“溜鉤”現(xiàn)象。

變頻器對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)和停止是在加/減速時(shí)間內(nèi)以S曲線方式增/減運(yùn)行速度。即，電機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)刻以極低速度運(yùn)行一段時(shí)間，其間加速度也較小，然后再以與加速時(shí)間相對(duì)應(yīng)的加速度將電機(jī)速度提高，接近設(shè)定速度時(shí)再以較小加速度運(yùn)行至設(shè)定值。減速過(guò)程與加速過(guò)程類似。這就是軟啟動(dòng)和軟停止。它可以十分有效地減小電機(jī)啟/停時(shí)的沖擊電流(閉環(huán)矢量控制的低速大力矩性能保證即使重載時(shí)也可以克服靜摩擦而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng))。本系統(tǒng)重載啟/停電流被限制在2倍額定電流以下。3

故障保護(hù)和故障診斷

變頻器具備對(duì)電機(jī)和變頻器本身的完善保護(hù)功能，如過(guò)熱、過(guò)載、過(guò)流、過(guò)壓、缺相、接地等，從而避免設(shè)備在不正常狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，保護(hù)設(shè)備不至于損壞。

故障信息可以準(zhǔn)確地指示故障點(diǎn)，變頻器使用說(shuō)明書(shū)中還有導(dǎo)致故障的原因及排除故障的措施，極大地方便了維護(hù)人員排除故障。

3.1變頻器參數(shù)設(shè)置

抓斗行車的主卷和閉合變頻器的參數(shù)設(shè)置至關(guān)重要。變頻器參數(shù)設(shè)置表如表1所示。4

結(jié)束語(yǔ)

(1)表2中指出了抓斗行車變頻改造前后的電氣控制系統(tǒng)的狀況和比較。抓斗行車變頻改造后，很好地解決了主/閉鋼絲繩受力平衡問(wèn)題;很大程度上降低了起制動(dòng)時(shí)的沖擊電流;再加上變頻器對(duì)電機(jī)及其本身的完善保護(hù)功能，極大地提高了行車的可靠性和使用壽命。重慶正宏公司一年前投運(yùn)的另3臺(tái)10噸抓斗行車的運(yùn)行表明，鋼絲繩消耗僅為未改造前的20%;沒(méi)有發(fā)生電機(jī)繞組燒毀情況，而以前的數(shù)字為平均2臺(tái)/月;其它低壓電器及機(jī)械設(shè)備的壽命也得以極大地提高，總維護(hù)成本為改造前的10~15%。

(2)實(shí)踐證明，TD3000是真正的電流矢量控制型變頻器,可以很好地應(yīng)用于各種起升負(fù)載場(chǎng)合;同時(shí)，EMERSON也能夠制造大功率矢量控制型變頻器。重慶正宏公司將在以后的工程中廣泛采用。

(3)行車上一般采用多極數(shù)線繞式電機(jī),其過(guò)載能力很強(qiáng)，變頻器選型時(shí)要注意要相對(duì)于電機(jī)功率適當(dāng)放大，同時(shí)，制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻也應(yīng)該相對(duì)于變頻器容量放大配置。采用變頻器加鼠籠型電機(jī)和系統(tǒng)時(shí)，要考慮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力和變頻器的選型時(shí)注意的問(wèn)