引言 某鋼鐵公司運(yùn)輸部四碼頭雙十噸浮吊浮吊原電氣控制系統(tǒng)為繼電器——接觸器控制系統(tǒng)，采用的是普通繞線型異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速控制方式，調(diào)速性能差，在起停及調(diào)速過(guò)程中電氣沖擊很大，電氣元件經(jīng)常損壞，電機(jī)也常被燒，電工的維護(hù)和維修任務(wù)很重。同時(shí)，由于電氣控制系統(tǒng)的缺陷，安全隱患多，機(jī)械磨損相當(dāng)嚴(yán)重，如果不采用新的調(diào)速控制系統(tǒng)，浮吊面臨提前報(bào)廢的危險(xiǎn)，將給正常生產(chǎn)帶來(lái)不可估量的損失。 在對(duì)浮吊電氣控制系統(tǒng)的特點(diǎn)與難點(diǎn)準(zhǔn)確把握的前提下，確定把PLC與變頻調(diào)速控制技術(shù)引入浮吊控制系統(tǒng)的技術(shù)改造方案，由于浮吊處于江邊的囤船上，電氣環(huán)境十分惡劣，船體隨著江面晃動(dòng)，濕度大、粉塵多、夏天氣溫很高、電源質(zhì)量差等，上述因素導(dǎo)致很強(qiáng)的電氣干擾，采取適當(dāng)隔離措施以后，新系統(tǒng)終于開(kāi)始正常工作。 浮式起重機(jī)全機(jī)構(gòu)控制的最佳調(diào)速控制方式 變頻器是輸出頻率可改變的交流電力拖動(dòng)控制設(shè)備。對(duì)交流電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其轉(zhuǎn)速接近于由磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度決定的同步轉(zhuǎn)速，而同步轉(zhuǎn)速是與電源頻率成正比的，所以改變頻率也即改變電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)速。在電源頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度和轉(zhuǎn)差率等影響交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的諸因素中，電源頻率是關(guān)鍵性的主導(dǎo)因素，改變頻率調(diào)速方式的機(jī)械特性好，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)，能耗低，調(diào)速范圍寬。因此，變頻調(diào)速目前是交流異步電動(dòng)機(jī)最完美的調(diào)速方式。 異步電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，可以很好的改善電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速性能及動(dòng)態(tài)品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)有級(jí)平滑調(diào)速或無(wú)級(jí)調(diào)速，并且機(jī)械特性很硬，抗負(fù)載擾動(dòng)能力強(qiáng)。還可以很好的解決起重設(shè)備各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行平穩(wěn)性問(wèn)題，可任意設(shè)定各級(jí)速度及速度變化斜率，容易實(shí)現(xiàn)精確對(duì)位。利用變頻器的低速力矩特性，可以很好地防止低速下的"溜鉤"問(wèn)題發(fā)生。在行車(chē)電機(jī)頻繁起動(dòng)及變速的工況下，利用變頻器可以很好地節(jié)約能源。通過(guò)采用變頻器控制，還可以很好地解決繼電器—接觸器控制系統(tǒng)極易發(fā)生的主回路觸點(diǎn)粘連的嚴(yán)重問(wèn)題，系統(tǒng)的可控制性、安全性及可靠性大幅度提高。 在本案例中選用的是iAStar起重專用變頻器，該變頻器能很好地適應(yīng)起重領(lǐng)域?qū)τ谧冾l器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應(yīng)快。它有可以由用戶自由設(shè)定的開(kāi)環(huán)V/F控制模式、閉環(huán)V/F控制模式、開(kāi)環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式等共四種調(diào)速控制模式。它能夠方便地利用其矢量控制性能，實(shí)現(xiàn)高精度高動(dòng)態(tài)性能的速度控制，調(diào)速比高達(dá)1:1000，低速甚至零速時(shí)可達(dá)到150％額定力矩輸出，還能夠以多種特殊控制功能適應(yīng)不同的控制要求，因此廣泛地應(yīng)用于起重行業(yè)。 浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)拖動(dòng)負(fù)載屬于位能型負(fù)載，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，在抱閘線圈松開(kāi)的一瞬間，或者在低速啟動(dòng)的過(guò)程中，如果電機(jī)由于電磁慣性一時(shí)不能建立足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會(huì)發(fā)生抓斗下溜現(xiàn)象。變頻器閉環(huán)矢量控制能提供快速力矩響應(yīng)，低速力矩特性好，對(duì)于兩種’溜鉤’原因都有良好的克服效果，在重鋼浮吊控制中基本沒(méi)有觀察到’溜鉤’現(xiàn)象。如果勵(lì)磁慣性太大而仍有溜鉤發(fā)生，則可以通過(guò)特殊控制加以克服。 在浮吊電氣控制系統(tǒng)中，變幅機(jī)構(gòu)、抓斗機(jī)構(gòu)和提頭機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)矢量控制，其低速力矩性能可防止負(fù)載下溜，其很硬的機(jī)械特性則可使各運(yùn)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格按操作人員發(fā)出的指令運(yùn)行。浮吊旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，要求運(yùn)行同步，且難以實(shí)現(xiàn)脫開(kāi)負(fù)載的自學(xué)習(xí)，因此不具備矢量控制的條件，故本案例采用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，變頻器采用開(kāi)環(huán)V/F控制模式，調(diào)試時(shí)采取了低速電壓補(bǔ)償，實(shí)踐證明這種設(shè)計(jì)是合理的，使用效果很好。 浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問(wèn)題，在原繞線電機(jī)串電阻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時(shí)間繼電器的延時(shí)配合機(jī)械特性較軟的電機(jī)調(diào)速控制特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，效果很差。iAStar起重專用變頻器具有力矩控制和速度控制切換功能，利用這一功能特點(diǎn)，在浮吊抓斗和提頭運(yùn)行機(jī)構(gòu)間采用力矩跟蹤控制模式，再利用PLC的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術(shù)難關(guān)。 變頻改造中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 變頻器閉環(huán)矢量控制模式的應(yīng)用 iAStar起重專用變頻器能很好地適應(yīng)起重領(lǐng)域?qū)τ谧冾l器的要求，其速度穩(wěn)定性好、低速力矩特性好、力矩響應(yīng)快。它有可以由用戶自由設(shè)定的開(kāi)環(huán)V/F控制模式、閉環(huán)V/F控制模式、開(kāi)環(huán)矢量控制模式及閉環(huán)矢量控制模式共四種調(diào)速控制模式。在常規(guī)應(yīng)用中，采用開(kāi)環(huán)V/F控制模式和開(kāi)環(huán)矢量控制模式即可。在沒(méi)有特殊要求，調(diào)速精度要求不很高和一臺(tái)變頻器帶動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的情況，通常采用開(kāi)環(huán)V/F控制模式，實(shí)施方便。而在拖動(dòng)位能型負(fù)載等特殊情況，比如普通橋式行車(chē)的吊鉤機(jī)構(gòu)，利用變頻器的開(kāi)環(huán)矢量控制模式，可以很好地滿足要求。在對(duì)力矩響應(yīng)、力矩特性有更高要求和需要力矩控制的場(chǎng)合則必須要采用變頻器的閉環(huán)矢量控制模式。 浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)拖動(dòng)負(fù)載屬于典型的位能型負(fù)載，各機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，在抱閘線圈松開(kāi)的一瞬間，或者在低速啟動(dòng)的過(guò)程中，如果電機(jī)由于電磁慣性一時(shí)不能建立足夠的磁場(chǎng)強(qiáng)度或者低速力矩特性太差不能提供足夠的力矩，則都會(huì)發(fā)生抓斗下溜現(xiàn)象。因此要求變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)要能提供快速力矩響應(yīng)，低速力矩特性好。另外，對(duì)抓斗和提頭機(jī)構(gòu)必須采用力矩控制，以解決抓斗和提頭兩股鋼繩的平衡受力問(wèn)題。所以對(duì)浮吊變幅、抓斗和提頭機(jī)構(gòu)采用了變頻器閉環(huán)矢量控制模式。 浮吊控制系統(tǒng)中，抓斗和提頭兩股鋼繩的受力平衡是比較難解決的問(wèn)題，在原繞線電機(jī)串電阻調(diào)速驅(qū)動(dòng)、繼電器—接觸器控制系統(tǒng)中，只有靠時(shí)間繼電器的延時(shí)配合機(jī)械特性較軟的電機(jī)調(diào)速控制特性來(lái)實(shí)現(xiàn)，效果很差。我們通過(guò)利用iAStar起重專用變頻器在閉環(huán)矢量控制模式具有的力矩控制和速度控制切換功能，通過(guò)這一功能特點(diǎn)，在浮吊抓斗和提頭運(yùn)行機(jī)構(gòu)間采用力矩跟蹤控制模式，再利用PLC的靈活控制性能，很好地攻破了這一技術(shù)難關(guān)。 變頻器第二加減速時(shí)間功能的利用 變頻器通常具有第二加減速時(shí)間設(shè)定功能，這一功能常在實(shí)際應(yīng)用中被忽視，如果合理利用這一功能，則會(huì)加快調(diào)速速度，縮短運(yùn)行機(jī)構(gòu)反應(yīng)時(shí)間。浮吊塔式抓斗行車(chē)本身屬于高頻率、快反應(yīng)、大運(yùn)量快裝抓斗行車(chē)，它要求控制系統(tǒng)必須滿足其快速抓取礦粉的作業(yè)需要，而電機(jī)采用變頻器調(diào)速控制以后，由于變頻器調(diào)速的平穩(wěn)變速過(guò)程，必然導(dǎo)致抓料的每一工序用時(shí)較多，長(zhǎng)期如此，必將影響生產(chǎn)。這一問(wèn)題的解決辦法就是利用變頻器調(diào)速的第二加減速時(shí)間設(shè)定功能，在變頻器上設(shè)定一組第二加減速時(shí)間，第一加減速時(shí)間和第二加減速時(shí)間的切換由一個(gè)多功能輸入口控制，通過(guò)這一措施的實(shí)施，可以使運(yùn)行機(jī)構(gòu)用變頻器調(diào)速控制改造后反應(yīng)時(shí)間基本達(dá)到用接觸器常規(guī)控制的水平，由于改造后故障率低，有效作業(yè)時(shí)間增加，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，對(duì)位容易，從而提高生產(chǎn)效率，更好地滿足了生產(chǎn)需要。 其它方面 在本案例變頻改造以前，由于采用的是常規(guī)繼電器—接觸器控制系統(tǒng)，電氣控制的缺陷引起很大的機(jī)械沖擊，浮吊上面振動(dòng)很大，機(jī)械受損嚴(yán)重。在浮吊上電氣控制室，由于制動(dòng)輪與制動(dòng)閘瓦間的摩擦制動(dòng)，制動(dòng)輪和制動(dòng)閘瓦磨損嚴(yán)重，并使控制室溫度很高。這些直接導(dǎo)致了操作工人的工作環(huán)境十分惡劣，工作勞動(dòng)強(qiáng)度很大。采用變頻控制改造以后，由于變頻器電氣制動(dòng)性能很好，各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械制動(dòng)只作為后備制動(dòng)保護(hù)，電氣制動(dòng)幾乎沒(méi)有沖擊，所以浮吊振動(dòng)很小，機(jī)械沖擊強(qiáng)度大大減弱。