论文部分内容阅读
摘要：介绍了下关电厂卸船机交流变频多传动驱动控制系统，并对具体设计选型进行了详细研究。
关键词：卸船机多传动控制系统
中图分类号： TM921.5 文献标识码： A 文章编号：
引言
桥式抓斗卸船机是港口码头卸料作业的主要设备。为了适应货运量快速增长和船舶大型化对加速卸料的迫切需要，桥式抓斗卸船机正朝着大型化和高效化发展。起重机械的发展与控制技术的发展息息相关。极大的卸料生产率使得传统的手动控制已经远远不能满足现代化大型作业的需要。改善装卸工人的操作条件，提高抓斗控制的自动化程度和完善抓斗控制的安全保护措施及降低港口码头的能源消耗，是现代化港口装卸作业发展的迫切要求。
大唐南京下关电厂于2008年投建，煤原料输送方式选择低能耗低污染的海运方式，设计接卸船型为5万吨以内的海轮，为满足电厂原料输送要求，采用工作效率高能耗低的桥式抓斗卸船机进行卸料作业，设计卸船机规格为2台1250T/H卸船机。要求卸船机采用最新交流多传动系统，能量反馈电网，实现自动操作，降低工人劳动强度，增加使用可靠性。
该1250T/H桥式抓斗卸船机于2008年设计制造，2009年底开始投入使用。卸船机主要由起升机构、开闭机构、小车机构、俯仰机构、大车机构等组成。卸船机主要参数如下：
起重量：36吨（含抓斗）
抓斗上升速度：130米/分钟
抓斗下降速度：160米/分钟
小车运行速度：180米/分钟
大车行走速度：25米/分钟
1.卸船机对传动控制系统的要求
起升、开闭、小车运行、大车行走、司机室行走、俯仰、振动给料机等工作机构选用足够功率的交流电动机进行驱动。起升、开闭、大车机构各独用一套调速装置，小车与俯仰机构共用一套调速装置。起升、开闭机构的调速系统在抓斗上升时具有恒转矩拖动的特性，抓斗空载下降时利用弱磁特性使电机在额定转速以上运行，提高工作效率。主机构采用IGBT整流单元，能量回馈电网，同时，交流变频调速装置具有显示系统故障、修改和锁定参数的功能。
2.交流多传动系统设计
根据卸船机主要技术参数要求，在设计过程中对传动选型、传动系统与PLC通讯、参数等主要设计要素的考虑如下：
传动选型
计算各起升机构的电机净功率需考虑因素：抓斗起重量、抓斗运行速度、加减速时间、电机的极对数、电机的过载倍数、电机的启动转矩、电机是否满足零速满转矩特性、电机的启动电流、电机是否配备强迫风冷等因素。
Pj=F*V/η（经验公式）
本机额定起重量为36吨（含抓斗）
36吨额定起重量，抓斗上升速度为130m/min，下降速度为160m/min。
F=36*1000KG*9.8M/S²=325800N=325.8KN
V=130m/min=130/60m/s=2.1666m/s
η=0.9（经验值）
所以此次计算Pj=325.8*2.1666/0.9=784KW。
此功率为起升净功率，起升功率为起升电机和开闭电机协同动作功率，单独起升功率为392KW,单独开闭机构为392KW.。
根据上面计算结果综合考虑，选择电机型号如下：
主机构电机参数：
起升电机M3BP 400LKC 6 B3S1500V 425KW
开闭电机M3BP 400LKC 6 B3S1500V 425KW
小车电机M3BP 315LKB 6 B3S1500V200KW
变幅电机 M3BP 280SMC 6 B3S1500V75KW
大车电机：S3400V7.5KW*16
多传动选型需考虑因素：电机净功率、电机过载倍数、传动单元自身过载倍数、电机电压等级、传动单元所处环境温度、海拔高度、另需考虑通讯接口、编码器接口等。
本机根据上述考虑的因素，调速器最终配置如下：
ISU整流单元 ACS800-207-01510-5(3xR8)
起升逆变单元 ACS800-107-0910-5(2xR8)
开闭逆变单元 ACS800-107-0910-5(2xR8)
变幅（小车）逆变单元 ACS800-107-0320-5(R8)
大车逆变单元 ACS800-107-0260-5(R8)
传动系统与PLC通讯：
下关电厂卸船机采用ABB PM864作为整机主控制器（PLC），通过多条PROFIBUS及光纤总线与S800 I/0控制站及现场设备进行通讯。为实现快速精确控制，各驱动器之间采用独立的专用光纤驱动总线进行连接。多传动系统采用ABB ACS800交流驱动器,用于主机构的驱动，包括起升、开闭、小车、大车、俯仰等动作，小车与俯仰共用一台驱动器，参数之间可相互切换，所有驱动器采用起升宏控制。抓斗上升时消耗电能，抓斗下降时能量回馈回电网,功率因数接近为1。
各主要参数设计
参数对变频器来说非常重要，性能再优良的变频器，如果没有设置合理的参数，也不能展现产品本身优越的性能，相反，如果参数设置的不合理，可能会导致很多安全隐患，造成不必要的损失。
电动机启动参数：配置电机的额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、额定功率。还要配置驱动器的宏模式，
测速编码器参数：根据系统控制精度要求，选择合适脉冲数的编码器，接入传动控制系统中，实现闭环控制功能，另外，编码器的反馈脉冲个数和机构所走位置的多少成正比，可以精确定位机构行走距离
继电器输出参数：在桥式抓斗卸船机中，起升机构的报闸输出尤为重要， ABB的起升宏软件中，有报闸输出控制功能选择，当应用变频器对电机进行启动时，变频器自动检测转矩，当达到一定转矩时，才会有报闸输出，报闸输出再经过继电器控制电动机的报闸，保证了机器的安全。
光纤通讯参数：本机采用光纤通讯，即各个机构的变频器及IGBT之间采用光纤通讯方式，通讯稳定可靠，而且传输速度快。
变频器与PLC通讯参数：本机采用的PROFIBUS-DP方式。设置控制字与状态字，本机变频器反馈电流、电压、状态等数据给PLC，PLC发出指令，包括变频器的转速等数据。
限幅值参数：设置电机正转反转最大转速，变频器最大电流，最大正向反相转矩等数据。如果设置的最大转速过低，那么电机就不能在较高速度下运行，如果设置数值过高，则电机可能在超速很高时不报故障，影响运行安全。最大转矩的设置值也很重要，设置的过低，变频器可能会报过电流，设置的过高，如果一旦超载时又不报故障，会严重影响变频器及电机的寿命。
转矩设置参数表：在多传动系统中，必须有一个参数选择是单传动还是多传动，本组参数组的64:01参数选择在FALSE。当选择在FALSE时，此传动系统为多传动。当选择在TRUE时，此传动系统选择在单传动。
3.小结
本章分析了在桥式抓斗卸船机控制系统中，如何进行选型及控制系统设计，并通过ABB交流多传动系统在南京下关1250T/H卸船机中的应用，详细分析了变频器一些重要的参数。此种控制系统也可以应用到门机，斗轮机，集装箱吊，轮胎吊等机械设备上去，具有广泛的应用价值。
参考文献
[1] 潘钟林.欧洲起重机械设计规范.1998修订版
[2] 郭小波.电机与电力拖动.北京航空航天大学出版社 .2007.9
[3] 王兆安 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2001
[4] 翁心刚.物流管理基础 .中国物资出版社.2006
[5] 霍云福 劉洪斌 孙云早.现代物流解决方案设计原理 .人民交通出版社.2005
[6] 工厂常用电气设备手册 .中国电力出版社.1997
[7] 中国机械工业标准汇编 .中国标准出版社.
[8] 起重机设计规范释义与应用 .中国标准出版社.
[9] 中华人民共和国国家标准起重机设计规范 .中国标准出版社.
[10] R.D. Zimmerman, H.D. Chiang. Fast Decoupled Power Flow for Unbalanced Radial Distribution Systems. IEEE Trans. on Power Systems,1994,10(4):2044-2041
[11] Haque. Efficient Load Flow Method for Distribution Systems with Radial or Mesh Configuration. IEE Proc-Gener. Trans. Distrib,1996,143(1):33-38
关键词：卸船机多传动控制系统
中图分类号： TM921.5 文献标识码： A 文章编号：
引言
桥式抓斗卸船机是港口码头卸料作业的主要设备。为了适应货运量快速增长和船舶大型化对加速卸料的迫切需要，桥式抓斗卸船机正朝着大型化和高效化发展。起重机械的发展与控制技术的发展息息相关。极大的卸料生产率使得传统的手动控制已经远远不能满足现代化大型作业的需要。改善装卸工人的操作条件，提高抓斗控制的自动化程度和完善抓斗控制的安全保护措施及降低港口码头的能源消耗，是现代化港口装卸作业发展的迫切要求。
大唐南京下关电厂于2008年投建，煤原料输送方式选择低能耗低污染的海运方式，设计接卸船型为5万吨以内的海轮，为满足电厂原料输送要求，采用工作效率高能耗低的桥式抓斗卸船机进行卸料作业，设计卸船机规格为2台1250T/H卸船机。要求卸船机采用最新交流多传动系统，能量反馈电网，实现自动操作，降低工人劳动强度，增加使用可靠性。
该1250T/H桥式抓斗卸船机于2008年设计制造，2009年底开始投入使用。卸船机主要由起升机构、开闭机构、小车机构、俯仰机构、大车机构等组成。卸船机主要参数如下：
起重量：36吨（含抓斗）
抓斗上升速度：130米/分钟
抓斗下降速度：160米/分钟
小车运行速度：180米/分钟
大车行走速度：25米/分钟
1.卸船机对传动控制系统的要求
起升、开闭、小车运行、大车行走、司机室行走、俯仰、振动给料机等工作机构选用足够功率的交流电动机进行驱动。起升、开闭、大车机构各独用一套调速装置，小车与俯仰机构共用一套调速装置。起升、开闭机构的调速系统在抓斗上升时具有恒转矩拖动的特性，抓斗空载下降时利用弱磁特性使电机在额定转速以上运行，提高工作效率。主机构采用IGBT整流单元，能量回馈电网，同时，交流变频调速装置具有显示系统故障、修改和锁定参数的功能。
2.交流多传动系统设计
根据卸船机主要技术参数要求，在设计过程中对传动选型、传动系统与PLC通讯、参数等主要设计要素的考虑如下：
传动选型
计算各起升机构的电机净功率需考虑因素：抓斗起重量、抓斗运行速度、加减速时间、电机的极对数、电机的过载倍数、电机的启动转矩、电机是否满足零速满转矩特性、电机的启动电流、电机是否配备强迫风冷等因素。
Pj=F*V/η（经验公式）
本机额定起重量为36吨（含抓斗）
36吨额定起重量，抓斗上升速度为130m/min，下降速度为160m/min。
F=36*1000KG*9.8M/S²=325800N=325.8KN
V=130m/min=130/60m/s=2.1666m/s
η=0.9（经验值）
所以此次计算Pj=325.8*2.1666/0.9=784KW。
此功率为起升净功率，起升功率为起升电机和开闭电机协同动作功率，单独起升功率为392KW,单独开闭机构为392KW.。
根据上面计算结果综合考虑，选择电机型号如下：
主机构电机参数：
起升电机M3BP 400LKC 6 B3S1500V 425KW
开闭电机M3BP 400LKC 6 B3S1500V 425KW
小车电机M3BP 315LKB 6 B3S1500V200KW
变幅电机 M3BP 280SMC 6 B3S1500V75KW
大车电机：S3400V7.5KW*16
多传动选型需考虑因素：电机净功率、电机过载倍数、传动单元自身过载倍数、电机电压等级、传动单元所处环境温度、海拔高度、另需考虑通讯接口、编码器接口等。
本机根据上述考虑的因素，调速器最终配置如下：
ISU整流单元 ACS800-207-01510-5(3xR8)
起升逆变单元 ACS800-107-0910-5(2xR8)
开闭逆变单元 ACS800-107-0910-5(2xR8)
变幅（小车）逆变单元 ACS800-107-0320-5(R8)
大车逆变单元 ACS800-107-0260-5(R8)
传动系统与PLC通讯：
下关电厂卸船机采用ABB PM864作为整机主控制器（PLC），通过多条PROFIBUS及光纤总线与S800 I/0控制站及现场设备进行通讯。为实现快速精确控制，各驱动器之间采用独立的专用光纤驱动总线进行连接。多传动系统采用ABB ACS800交流驱动器,用于主机构的驱动，包括起升、开闭、小车、大车、俯仰等动作，小车与俯仰共用一台驱动器，参数之间可相互切换，所有驱动器采用起升宏控制。抓斗上升时消耗电能，抓斗下降时能量回馈回电网,功率因数接近为1。
各主要参数设计
参数对变频器来说非常重要，性能再优良的变频器，如果没有设置合理的参数，也不能展现产品本身优越的性能，相反，如果参数设置的不合理，可能会导致很多安全隐患，造成不必要的损失。
电动机启动参数：配置电机的额定电压、额定电流、额定频率、额定转速、额定功率。还要配置驱动器的宏模式，
测速编码器参数：根据系统控制精度要求，选择合适脉冲数的编码器，接入传动控制系统中，实现闭环控制功能，另外，编码器的反馈脉冲个数和机构所走位置的多少成正比，可以精确定位机构行走距离
继电器输出参数：在桥式抓斗卸船机中，起升机构的报闸输出尤为重要， ABB的起升宏软件中，有报闸输出控制功能选择，当应用变频器对电机进行启动时，变频器自动检测转矩，当达到一定转矩时，才会有报闸输出，报闸输出再经过继电器控制电动机的报闸，保证了机器的安全。
光纤通讯参数：本机采用光纤通讯，即各个机构的变频器及IGBT之间采用光纤通讯方式，通讯稳定可靠，而且传输速度快。
变频器与PLC通讯参数：本机采用的PROFIBUS-DP方式。设置控制字与状态字，本机变频器反馈电流、电压、状态等数据给PLC，PLC发出指令，包括变频器的转速等数据。
限幅值参数：设置电机正转反转最大转速，变频器最大电流，最大正向反相转矩等数据。如果设置的最大转速过低，那么电机就不能在较高速度下运行，如果设置数值过高，则电机可能在超速很高时不报故障，影响运行安全。最大转矩的设置值也很重要，设置的过低，变频器可能会报过电流，设置的过高，如果一旦超载时又不报故障，会严重影响变频器及电机的寿命。
转矩设置参数表：在多传动系统中，必须有一个参数选择是单传动还是多传动，本组参数组的64:01参数选择在FALSE。当选择在FALSE时，此传动系统为多传动。当选择在TRUE时，此传动系统选择在单传动。
3.小结
本章分析了在桥式抓斗卸船机控制系统中，如何进行选型及控制系统设计，并通过ABB交流多传动系统在南京下关1250T/H卸船机中的应用，详细分析了变频器一些重要的参数。此种控制系统也可以应用到门机，斗轮机，集装箱吊，轮胎吊等机械设备上去，具有广泛的应用价值。
参考文献
[1] 潘钟林.欧洲起重机械设计规范.1998修订版
[2] 郭小波.电机与电力拖动.北京航空航天大学出版社 .2007.9
[3] 王兆安 黄俊.电力电子技术.机械工业出版社.2001
[4] 翁心刚.物流管理基础 .中国物资出版社.2006
[5] 霍云福 劉洪斌 孙云早.现代物流解决方案设计原理 .人民交通出版社.2005
[6] 工厂常用电气设备手册 .中国电力出版社.1997
[7] 中国机械工业标准汇编 .中国标准出版社.
[8] 起重机设计规范释义与应用 .中国标准出版社.
[9] 中华人民共和国国家标准起重机设计规范 .中国标准出版社.
[10] R.D. Zimmerman, H.D. Chiang. Fast Decoupled Power Flow for Unbalanced Radial Distribution Systems. IEEE Trans. on Power Systems,1994,10(4):2044-2041
[11] Haque. Efficient Load Flow Method for Distribution Systems with Radial or Mesh Configuration. IEE Proc-Gener. Trans. Distrib,1996,143(1):33-38