抓斗行车变频传动控制系统

1 引言 行车在制造业有广泛应用，用来实现物体在三维空间中的转运。其中水平面上两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统;而垂直方向的运动则由起升机构负责。大多数的行车通过钓钩与被运物体相连，而当被运物体为粉状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗行车。其中专门负责升/降运动的电机称为主卷电机，另一台闭合电机除了负责抓斗的打开和闭合(丢料和抓料)外，抓斗升降时，它还会同主卷电机一起出力。 重钢烧结厂现有抓斗行车3台，均为串级调速加继电器/接触器控制方式，故障率高，维护和维修的费用、时间均很大，给生产造成不良影响。现对其中3#行车进行技术改造，采用变频器和PLC，从根本上解决问题。 2 变频电气控制系统 2.1 系统原理 主卷和闭合机构变频调速控制的配置图如图1、图2所示，PLC的接线图如图3所示。 图1、图2中闭合和主卷机构采用变频器实现电机的无级调速，采用旋转编码器实现速度反馈，采用制动单元和制动电阻以消耗下降过程中的再生电能。图3是采用PLC接收来自联动操作台和变频器的状态信号，控制变频器、抱闸装置、冷却风机等。下面分别阐述: (1) 抓斗行车相关参数 载重量(含抓斗自重):20t 起升高度:25.6m 跨度:31.5m 大车电机: 2×15kW 小车电机: 7.5kW 主卷电机: 90kW 闭合电机: 90kW (2) 行走系统 大、小车分别选用EV2000-4T0300G和EV2000-4T0011G变频器各一台，分别配置制动组件，以消耗自由停车时刹车抱死电机轴所返回变频器直流母线回路的剩余能量。其它，本文不详细描述。 (3) 主卷/闭合变频器 变频器选用具有电流矢量控制、力矩控制等功能的变频器—爱默生TD3000-4T1320G各一台，分别调节主卷电机和闭合电机速度。所选变频器相对电机功率放大2档。 (4) 速度反馈(编码器) 抓斗行车变频改造的重大效能之一是可以实现主/闭电机出力均衡，通过主/闭变频器力矩跟踪来实现。因此，要求两台变频器都必须同为闭环矢量控制方式，即，编码器是必须的。 本系统选用韩国AUTONICS公司的E80H型编码器，每转脉冲数为512p/r。编码器与电机轴的连接采用套轴式安装。 图1 闭合机构变频控制配置图 图2 主卷机构变频控制配置图 图3 PLC接线图 (5) 制动单元和制动电阻 抓斗下降过程中，电机为反向旋转，但输出力矩仍然为正方向，此时，电机工作于第二象限，其再生电能必须通过变频器的直流回路进行释放，因此，制动单元和制动电阻是不可或缺的。经验表明，制动单元和制动电阻的配置容量应该相对于变频器容量适当放大，具体情况与行车起升高度、制动单元的最大制动使用率、电机和变频器的配置余量以及制动电阻散热条件等环境因素有关。 由于抓斗下降过程是可能持续较长时间的过程，且无配重，因此，下降过程中的再生电能具有能量大、时间长的特点。这种特点要求制动单元必须具备连续制动(100%ED)能力，且直流电压检测和判断时间应足够短，否则，极易造成变频器直流回路过电压，以至停机或失速。适当选配制动单元和制动电阻是非常重要的,而且它也需要借鉴于经验。 (6) PLC PLC用来实现以下逻辑控制: (a) 变频器启/停控制; (b) 控制抱闸，使其与电机轴很好配合，即电机轴停止时抱闸抱住，既不提前，也不延后; (c) 主卷变频器控制方式切换(速度控制/力矩控制)。 2.2 系统功能 (1) 安全连锁功能 (a) 行车上各个进出口的门以及操作室的门在打开状态下，禁止操作; (b) 大、小车轨道两端设限位开关限制车体超越; (c) 冲顶限位; (d) 各操作手柄未处于零位置时, 上电被禁止; (f) 主卷和闭合变频器中任意一台变频器报故障时，两台变频器均立即停止输出(自由停车)，同时抱闸合闸; (g) 任何时刻断电, 系统将立即停止，抱闸合闸; (h) PLC故障时，各操作命令无效(PLC无输出)，这时，抱闸合闸，行车处于安全停止状态。但不排除PLC误输出松闸信号，虽然这种概率极小，一旦出现这种情况，司机可按“急停”按钮，切断控制电源，使抱闸合闸。 (2) 力矩跟踪 抓斗上升和下降是由主卷电机和闭合电机共同运转来完成的。但抓料操作时，为了尽可能多抓料，必须使用“点动降”使主卷钢绳保持松弛，因此，当抓料完成时，主卷钢绳是松弛的。若两台变频器都为速度控制方式，则不能解决主卷钢绳和闭合钢绳的受力平衡问题，容易导致闭合电机、闭合变频器、闭合钢绳过载。 为此，设定闭合变频器为速度控制方式，当抓斗闭合状态下上升时，主卷变频器切换为力矩控制方式。其力矩指令来自闭合变频器的输出力矩。即主卷变频器跟踪闭合变频器的输出力矩，这就是力矩跟踪功能。这样，可以很满意地解决两台电机的受力平衡。实际运行中，二者的恒速运行电流相差仅3A左右。 (3) 重载软启动/软停车 EMERSON 变频器带速度反馈的矢量控制方式保证在0~50Hz的范围内电机能瞬时输出2倍额定力矩，响应时间150ms，即刚启动时或减速停车将结束时，电机的力矩输出能力仍然和高频段一样大，这可以确保消除启/停时的“溜钩”现象。 变频器对电机的启动和停止是在加/减速时间内以S曲线方式增/减运行速度。即，电机刚启动时刻以极低速度运行一段时间，其间加速度也较小，然后再以与加速时间相对应的加速度将电机速度提高，接近设定速度时再以较小加速度运行至设定值。减速过程与加速过程类似。这就是软启动和软停止。它可以十分有效地减小电机启/停时的冲击电流(闭环矢量控制的低速大力矩性能保证即使重载时也可以克服静摩擦而实现启动)。本系统重载启/停电流被限制在2倍额定电流以下。 3 故障保护和故障诊断 变频器具备对电机和变频器本身的完善保护功能，如过热、过载、过流、过压、缺相、接地等，从而避免设备在不正常状态下长时间运行，保护设备不至于损坏。 故障信息可以准确地指示故障点，变频器使用说明书中还有导致故障的原因及排除故障的措施，极大地方便了维护人员排除故障。 3.1 变频器参数设置 抓斗行车的主卷和闭合变频器的参数设置至关重要。变频器参数设置表如表1所示。 4 结束语 (1) 表2中指出了抓斗行车变频改造前后的电气控制系统的状况和比较。抓斗行车变频改造后，很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题;很大程度上降低了起制动时的冲击电流;再加上变频器对电机及其本身的完善保护功能，极大地提高了行车的可靠性和使用寿命。重庆正宏公司一年前投运的另3台10吨抓斗行车的运行表明，钢丝绳消耗仅为未改造前的20%; 没有发生电机绕组烧毁情况，而以前的数字为平均2台/月;其它低压电器及机械设备的寿命也得以极大地提高，总维护成本为改造前的10~15%。 (2) 实践证明，TD3000是真正的电流矢量控制型变频器, 可以很好地应用于各种起升负载场合;同时，EMERSON也能够制造大功率矢量控制型变频器。重庆正宏公司将在以后的工程中广泛采用。 (3) 行车上一般采用多极数线绕式电机, 其过载能力很强，变频器选型时要注意要相对于电机功率适当放大，同时，制动单元和制动电阻也应该相对于变频器容量放大配置。采用变频器加鼠笼型电机和系统时，要考虑电动机的过载能力和变频器的选型时注意的问题。 (4) EMC和EMI问题在变频器应用工程中应给予足够重视，行车上，编码器及其它模拟信号线一定要注意抗干扰措施。 (5) 系统调试中注意速度环的快速稳定性、力矩信号的标度变换、滤波时间常数、速度极限和力矩极限等问题。 参考文献 [1] TD3000高性能矢量控制变频器用户手册[Z]. V1.0，艾默生网络能源公司. [2] 实用起重机电气技术手册[M]. 北京:机械工业出版社,2002. 作者简介 丁彤宇(1966-) 男 工程师 1987年毕业于包头钢铁学院电气自动化专业，现任重庆钢铁股份有限公司烧结厂设备部主任。