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摘要：本文主要针对门座起重机常用的电气传动方案,提出采用矢量控制变频调速是最优方案,它能改善整机的性能, 特别是能较好地解决起升机构上使用变频调速的一些关键技术。本文是个人的一些见解，可供同行参考借鉴。
关键词：交流传动;矢量控制; 变频调速;起重机;MASTERDRIVES
一、交流调速系统分析
1、交流调速系统的特点。对于可调速的电力拖动系统, 工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的, 所谓交流调速系统, 就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置, 并对其进行控制以产生所需要的转速
2、交流调速常用的调速方案。由电机学知, 交流异步电动机的转速公式如下:
从式(1) 中可以看出, 调节交流异步电动机的转速有三大类方案:
1) 改变电动机的磁极对数。由异步电动机的同步转速n0= 60f1 / Pn 可知, 在供电电源频率f1不变的条件下, 通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn,即可改变异步电动机的同步转速 n0, 从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单, 只要求电动机定子绕组有多个抽头, 然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式, 电动机转速的变化不是连续的,一般最多只有三档, 适用于自动化程度不高, 且只须有级调速的场合。
2) 变频调速。从式(1) 中可以看出, 当异步电动机的磁极对数 Pn一定, 转差率 S 一定时, 改变定子绕组的供电频率 f1可以达到调速目的, 电动机转速n基本上与电源的频率f 1成正比。因此, 平滑地调节供电电源的频率, 就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大, 低速特性较硬, 基频 f = 50 Hz 以下, 属于恒转矩调速方式; 在基频以上, 属于恒功率调速方式, 与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似, 且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能, 大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩, 所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
3) 变转差率调速。改变转差率调速的方法很多,常用的方案有: 异步电动机定子调压调速, 电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速, 串级调速等。
二、门座起重机电气传动方案的选择
近几年来, 随着港口运输事业的发展, 以散杂货作业为主的多用途门座起重机在港口应用越来越广泛。这种门座起重机在电气传动控制其调速性能的要求方面比一般的门座起重机高, 以保证该机在进行集装箱作业时平稳、可靠, 有良好的低速就位性能。近年来, 由于变频技术的飞跃发展, 特别是矢量控制技术和转矩控制技术的应用, 变频技术日趋成熟, 以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首。其调速性能完全可以和直流传动相媲美, 并有取代之趋势。对于这种门座起重机, 其核心机构是起升机构, 在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:
1) 低频时能保证恒转矩输出, 以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;
2) 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;
3) 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放;
4) 实现恒转矩调速和恒功率调速, 即起升速度随载荷自动升速或降速。
目前市场上的变频器一般分为两大类, 一种是通用变频器, 仅适用于通风型或反应性负载。这种变频器为 V / f 特性曲线( 开环频率控制) , 其特点是低频时不能保证恒转矩输出。另一种是矢量控制变频器, 适用于如起升机构这类位能性负载。采用带速度反馈的闭环矢量控制模式( 速度反馈用旋转编码器) , 使系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性, 满足起升机构位能性负载的四象限运行要求。即使在0Hz时起升电机也能以额定转矩输出。50 Hz 以下实现恒转矩调速, 空钩或只带吊具时可運行在 50 Hz 以上, 实现恒功率调速。在这类变频器中, 对再生制动能量的处理方式有两种: 一种是用制动单元和制动电阻来吸收; 另一种是通过在直流侧设置公共母线的逆变桥使之回馈到电网。采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式, 使系统电路形式简洁、紧凑。再生制动能量采用回馈到电网的方式, 这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收。另外,当任意两个以上的机构同时运行时, 若某一机构传动电机处于再生制动状态时, 其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电机, 可大大提高能量的再生利用率。
三、变频调速系统在我单位门机的应用和具体故障分析
我单位使用的门座式起重机采用的是西门子SIMATIC S7-300型PLC 控制，驱动部分采用的西门子MASTERDRIVES VC系列变频器。它们之间的通讯采用的是PROFIBUS总线。
这样采用同品牌的成熟产品的优点是节省了很多中间环节，使控制的稳定性、兼容性大大提高。
虽然这些产品都是成熟设计，但在使用过程中我们也陆续发现一些问题和碰到了一些故障，以下为几个典型故障分析：
1）电气室温度过高，造成MASTERDRIVES驱动器F023过温故障停机。
其主要原因为：变频器在工作过程中有一部分能量要转化为热量损耗，所以要求变频器所在电气室要有相匹配的温度冷却设备。原冷却空调没有经过可靠计算设计制冷量不够，导致变频器过温停机。
查阅产品手册后计算：
产品额定输出W*损耗系数K*工作系数K1*效率η功率因数cosΦ=产品发热量
根据发热量选型合适工业制冷空调后，该故障消失。同时也增加了设备的使用寿命。
2）MASTERDRIVES驱动器运行过程中报F082故障停机。
查阅手册F082故障为通讯故障，TB/CB收不到新的过程数据。现场检查并采取替换的方式查找故障源，从CB/TB板、profibus总线连接器等均未发现问题。后根据实际作业时的故障现象分析为：slew驱动器工作时故障发生。怀疑slew驱动器相关的通讯总线存在干扰所致。将其通讯总线调整铺设位置后故障消失。
3）整流回馈单元在重物下降过程中报F006过压故障停机。
首先实测直流母线电压，在重物下放过程中的减速停止阶段母线电压达到故障800v。说明不是电压检测部分问题，确实有高电压出现。
分析整流单元工作原理：在重物下放过程中，驱动器为发电状态能量此时经由整流回馈单元的回馈桥回馈到电网。怀疑回馈桥晶闸管或回馈触发部分出现问题，导致电能未能正常回馈到电网导致过压出现。
逐一检查测试回馈晶闸管和触发电路板，最后发现其触发板存在问题。更换触发板后故障消失。
四、结语
在现代交直流传动中, 控制系统正逐步由模拟控制技术转向数字控制技术。随着计算机技术突飞猛进的发展, 充分发挥计算机控制的综合优点的局面终于出现了。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性, 还为新的控制理论与方法提供了物资基础; 数字电路抗干扰性好, 反应灵敏。数字控制技术的应用使 PLC 和变频器可以直接通讯, 使硬件连接线路简单。控制精度、速度、可靠性更高。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：交流传动;矢量控制; 变频调速;起重机;MASTERDRIVES
一、交流调速系统分析
1、交流调速系统的特点。对于可调速的电力拖动系统, 工程上往往把它分为直流调速系统和交流调速系统两类。这主要是根据采用什么电流制型式的电动机来进行电能与机械能的转换而划分的, 所谓交流调速系统, 就是以交流电动机作为电能—机械能的转换装置, 并对其进行控制以产生所需要的转速
2、交流调速常用的调速方案。由电机学知, 交流异步电动机的转速公式如下:
从式(1) 中可以看出, 调节交流异步电动机的转速有三大类方案:
1) 改变电动机的磁极对数。由异步电动机的同步转速n0= 60f1 / Pn 可知, 在供电电源频率f1不变的条件下, 通过改接定子绕组的连接方式来改变异步电动机定子绕组的磁极对数Pn,即可改变异步电动机的同步转速 n0, 从而达到调速的目的。这种控制方式比较简单, 只要求电动机定子绕组有多个抽头, 然后通过触点的通断来改变电动机的磁极对数。采用这种控制方式, 电动机转速的变化不是连续的,一般最多只有三档, 适用于自动化程度不高, 且只须有级调速的场合。
2) 变频调速。从式(1) 中可以看出, 当异步电动机的磁极对数 Pn一定, 转差率 S 一定时, 改变定子绕组的供电频率 f1可以达到调速目的, 电动机转速n基本上与电源的频率f 1成正比。因此, 平滑地调节供电电源的频率, 就能平滑、无级地调节异步电动机的转速。变频调速调速范围大, 低速特性较硬, 基频 f = 50 Hz 以下, 属于恒转矩调速方式; 在基频以上, 属于恒功率调速方式, 与直流电动机的降压和弱磁调速十分相似, 且采用变频起动更能显著改善交流电动机的起动性能, 大幅度降低电机的起动电流,增加起动转矩, 所以变频调速是交流电动机的理想调速方案。
3) 变转差率调速。改变转差率调速的方法很多,常用的方案有: 异步电动机定子调压调速, 电磁转差离合器调速和绕线式异步电动机转子回路串电阻调速, 串级调速等。
二、门座起重机电气传动方案的选择
近几年来, 随着港口运输事业的发展, 以散杂货作业为主的多用途门座起重机在港口应用越来越广泛。这种门座起重机在电气传动控制其调速性能的要求方面比一般的门座起重机高, 以保证该机在进行集装箱作业时平稳、可靠, 有良好的低速就位性能。近年来, 由于变频技术的飞跃发展, 特别是矢量控制技术和转矩控制技术的应用, 变频技术日趋成熟, 以其宽广的调速范围、较高的稳速精度、快速的动态响应以及能在四象限作可逆运行的性能位居交流传动之首。其调速性能完全可以和直流传动相媲美, 并有取代之趋势。对于这种门座起重机, 其核心机构是起升机构, 在起升机构上采用变频调速必须解决的关键技术为:
1) 低频时能保证恒转矩输出, 以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;
2) 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;
3) 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放;
4) 实现恒转矩调速和恒功率调速, 即起升速度随载荷自动升速或降速。
目前市场上的变频器一般分为两大类, 一种是通用变频器, 仅适用于通风型或反应性负载。这种变频器为 V / f 特性曲线( 开环频率控制) , 其特点是低频时不能保证恒转矩输出。另一种是矢量控制变频器, 适用于如起升机构这类位能性负载。采用带速度反馈的闭环矢量控制模式( 速度反馈用旋转编码器) , 使系统具有足够的调速硬度和良好的低频转矩特性, 满足起升机构位能性负载的四象限运行要求。即使在0Hz时起升电机也能以额定转矩输出。50 Hz 以下实现恒转矩调速, 空钩或只带吊具时可運行在 50 Hz 以上, 实现恒功率调速。在这类变频器中, 对再生制动能量的处理方式有两种: 一种是用制动单元和制动电阻来吸收; 另一种是通过在直流侧设置公共母线的逆变桥使之回馈到电网。采用公共直流母线下的多逆变器驱动方式, 使系统电路形式简洁、紧凑。再生制动能量采用回馈到电网的方式, 这是因为考虑到起升机构重载下放时长时间的制动转矩必须由大量的制动电阻来吸收。另外,当任意两个以上的机构同时运行时, 若某一机构传动电机处于再生制动状态时, 其再生制动能量可经直流母线直接供给处于电动状态的电机, 可大大提高能量的再生利用率。
三、变频调速系统在我单位门机的应用和具体故障分析
我单位使用的门座式起重机采用的是西门子SIMATIC S7-300型PLC 控制，驱动部分采用的西门子MASTERDRIVES VC系列变频器。它们之间的通讯采用的是PROFIBUS总线。
这样采用同品牌的成熟产品的优点是节省了很多中间环节，使控制的稳定性、兼容性大大提高。
虽然这些产品都是成熟设计，但在使用过程中我们也陆续发现一些问题和碰到了一些故障，以下为几个典型故障分析：
1）电气室温度过高，造成MASTERDRIVES驱动器F023过温故障停机。
其主要原因为：变频器在工作过程中有一部分能量要转化为热量损耗，所以要求变频器所在电气室要有相匹配的温度冷却设备。原冷却空调没有经过可靠计算设计制冷量不够，导致变频器过温停机。
查阅产品手册后计算：
产品额定输出W*损耗系数K*工作系数K1*效率η功率因数cosΦ=产品发热量
根据发热量选型合适工业制冷空调后，该故障消失。同时也增加了设备的使用寿命。
2）MASTERDRIVES驱动器运行过程中报F082故障停机。
查阅手册F082故障为通讯故障，TB/CB收不到新的过程数据。现场检查并采取替换的方式查找故障源，从CB/TB板、profibus总线连接器等均未发现问题。后根据实际作业时的故障现象分析为：slew驱动器工作时故障发生。怀疑slew驱动器相关的通讯总线存在干扰所致。将其通讯总线调整铺设位置后故障消失。
3）整流回馈单元在重物下降过程中报F006过压故障停机。
首先实测直流母线电压，在重物下放过程中的减速停止阶段母线电压达到故障800v。说明不是电压检测部分问题，确实有高电压出现。
分析整流单元工作原理：在重物下放过程中，驱动器为发电状态能量此时经由整流回馈单元的回馈桥回馈到电网。怀疑回馈桥晶闸管或回馈触发部分出现问题，导致电能未能正常回馈到电网导致过压出现。
逐一检查测试回馈晶闸管和触发电路板，最后发现其触发板存在问题。更换触发板后故障消失。
四、结语
在现代交直流传动中, 控制系统正逐步由模拟控制技术转向数字控制技术。随着计算机技术突飞猛进的发展, 充分发挥计算机控制的综合优点的局面终于出现了。数字调速技术不仅使传动系统获得高精度、高可靠性, 还为新的控制理论与方法提供了物资基础; 数字电路抗干扰性好, 反应灵敏。数字控制技术的应用使 PLC 和变频器可以直接通讯, 使硬件连接线路简单。控制精度、速度、可靠性更高。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。