变频调速在浮吊电气控制系统中的应用
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1 引言

  重钢股份有限公司运输部四码头双十吨浮吊自1992年投入使用,为重钢生产作了重大贡献,是保证重钢生产得以持续进行的关键设备。但该浮吊原电气控制系统为继电器--接触器控制系统,采用的是普通绕线型异步电动机转子串电阻调速控制方式,调速性能差,在起停及调速过程中电气冲击很大,电气元件经常损坏,电机也常被烧,电工的维护和维修任务很重。同时,由于电气控制系统的缺陷,安全隐患多,机械磨损相当严重,如果不采用新的调速控制系统,浮吊面临提前报废的危险,将给正常生产带来不可估量的损失。

  在对浮吊电气控制系统的特点与难点准确把握的前提下,确定把plc与变频调速控制技术引入浮吊控制系统的技术改造方案,由于浮吊处于江边的囤船上,电气环境十分恶劣,船体随着江面晃动,湿度大、粉尘多、夏天气温很高、电源质量差等,上述因素导致很强的电气干扰,采取适当隔离措施以后,新系统终于开始正常工作。

  双十吨浮吊变频调速电气控制系统至今已投入运行1年多时间,统计数据表明,这是一个非常成功的技改项目,它不但挽救了一个濒临报废的重要生产设备,并且,在这一年中,浮吊的运输量不断地创造新纪录,直接带来了可观的经济效益。现将应用中有关问题作简要讨论。

2 浮式起重机全机构控制的最佳调速控制方式

  变频器是输出频率可改变的交流电力拖动控制设备。对交流电动机来说,其转速接近于由磁场旋转速度决定的同步转速,而同步转速是与电源频率成正比的,所以改变频率也即改变电动机同步转速来调速。在电源频率、磁场强度和转差率等影响交流异步电动机转速的诸因素中,电源频率是关键性的主导因素,改变频率调速方式的机械特性好,抗扰动能力强,能耗低,调速范围宽。因此,变频调速目前是交流异步电动机最完美的调速方式。

  异步电动机用变频器调速组成的调速系统,其控制方法可分为2大类:

  (1)是常规控制方式,以输出频率作为主控制量,输出电压作为频率的单值函数,并适当采取相关的补偿措施。由于缺乏有效控制磁通及力矩的手段,调速精度不高、力矩响应速度慢、低速力矩衰减明显,动态控制参数差。采取速度闭环措施后,可以明显提高稳态速度控制精度,但其他各项指标没有显著改进,只适合于调速要求不高,调速范围较小,不在极低速度下持续工作的场合。

  (2)是先进的控制方式,其基本特点是间接实现对于磁通及力矩的有效控制,保持磁通基本恒定以克服低速力矩衰减,控制力矩以改善动态调速性能。其中以矢量控制法和直接转矩控制法为代表,而目前应用最为普遍和成熟的是矢量控制。矢量控制原理是把异步电动机等效为经过变换的直流电动机模型,通过矢量变换将励磁电流和力矩电流分解开,分别实现算法控制,再将两种电流计算值进行矢量合成,实行统一输出,既可控制磁通,又可控制力矩,因而所得的控制效果可与直流电动机调速系统相媲美。

  异步电动机采用变频调速,可以很好的改善电气传动系统的调速性能及动态品质,实现有级平滑调速或无级调速,并且机械特性很硬,抗负载扰动能力强。还可以很好的解决起重设备各运动机构的运行平稳性问题,可任意设定各级速度及速度变化斜率,容易实现精确对位。利用变频器的低速力矩特性,可以很好地防止低速下的溜钩问题发生。在行车电机频繁起动及变速的工况下,利用变频器可以很好地节约能源。通过采用变频器控制,还可以很好地解决继电器接触器控制系统极易发生的主回路触点粘连的严重问题,系统的可控制性、安全性及可靠性大幅度提高。

  在重钢双十吨浮吊驱动调速控制系统中,选用的是日本安川公司的616g5系列起重专用型变频器,这种品牌变频器能很好地适应起重领域对于变频器的要求,其速度稳定性好、低速力矩特性好、力矩响应快。它有可以由用户自由设定的开环v/f控制模式、闭环v/f控制模式、开环矢量控制模式及闭环矢量控制模式等共四种调速控制模式,其中前2种模式属于常规控制模式,性能略差但实现方便,没有特殊要求,而后两种模式属于先进控制模式,性能优越。它能够方便地利用其矢量控制性能,实现高精度高动态性能的速度控制,调速比高达1:1000,低速甚至零速时可达到150%额定力矩输出,还能够以多种特殊控制功能适应不同的控制要求,因此广泛地应用于起重行业。

  浮吊变幅、抓斗和提头机构拖动负载属于位能型负载,各机构运行时,在抱闸线圈松开的一瞬间,或者在低速启动的过程中,如果电机由于电磁惯性一时不能建立足够的磁场强度或者低速力矩特性太差不能提供足够的力矩,则都会发生抓斗下溜现象。变频器闭环矢量控制能提供快速力矩响应,低速力矩特性好,对于两种溜钩原因都有良好的克服效果,在重钢浮吊控制中基本没有观察到溜钩现象。如果励磁惯性太大而仍有溜钩发生,则可以通过特殊控制加以克服。

  在浮吊电气控制系统中,变幅机构、抓斗机构和提头机构采用闭环矢量控制,其低速力矩性能可防止负载下溜,其很硬的机械特性则可使各运行机构严格按操作人员发出的指令运行。浮吊旋转机构是双电机驱动,要求运行同步,且难以实现脱开负载的自学习,因此不具备矢量控制的条件,故作者设计采用一台变频器驱动两台电机,变频器采用开环v/f控制模式,调试时采取了低速电压补偿,实践证明这种设计是合理的,使用效果很好。

  浮吊控制系统中,抓斗和提头两股钢绳的受力平衡是比较难解决的问题,在原绕线电机串电阻调速驱动、继电器接触器控制系统中,只有靠时间继电器的延时配合机械特性较软的电机调速控制特性来实现,效果很差。安川的616g5变频器具有力矩控制和速度控制切换功能,利用这一功能特点,在浮吊抓斗和提头运行机构间采用力矩跟踪控制模式,再利用plc的灵活控制性能,很好地攻破了这一技术难关。

3 变频改造中应注意的几个问题

  由于浮吊控制系统的复杂性和所处环境的特殊性,在浮吊电气控制系统调试过程中,遇到了很多问题,总结如下:

  3.1 系统抗干扰的必要性和重要措施

  为了充分发挥变频器的性能,浮吊电气控制系统采用plc作为控制核心部件,系统组态灵活,性能稳定,故障率低。然而,plc控制系统除了plc应用的一般技术要求必须遵守外,系统本身的抗干扰必须重点考虑。

  在设计重钢浮吊电气控制系统时,已经采取了抗干扰措施,比如信号隔离、电源净化、信号传送采用屏蔽控制电缆等。但在系统调试过程中,由于浮吊电气环境太恶劣,还是出现了意想不到的麻烦。干扰信号频繁出现,引起plc程序误动,更严重的是,有时一个极强的脉冲干扰甚至能把plc的i/o口烧坏。经过仔细的分析研究发现,这种难得一见的情况实际是由多个方面共同作用造成的。首先是电源问题,因为浮吊拖动电机功率较大,并且通常是几台电机同时投入工作,原采用继电器接触器控制系统,则在电机频繁起停的情况下,造成电源极不稳定,而在1#浮吊变频控制系统调试时,2#浮吊必须要投入工作,这样严重影响了新系统的控制电源质量;另外,浮吊处于江边,采用三相四线制供电方式,地电平极不稳定,平时就有数伏电压波动,这样相应地降低了输入信号抗干扰的阀值,使系统更易受干扰信号影响而产生误动。其次是布线问题,因为在设计时信号线考虑的是屏蔽控制线,所以现场施工就没有注意与动力线分开布线,这也给系统带来了严重的不良后果,因为变频器输出电压带有高频载波电压成分,另外其制动电阻常是高直流脉冲电压,当信号线与这两类线路捆扎起来并行走线时,干扰就不可避免要产生并且强度很大。

  针对浮吊是地零合一供电情况,在原~220v/~220v隔离变压器前端增加~380v/~220v控制屏蔽变压器,然后在~220v控制电压端加装阻容保护,并在开关电源直流24v输出端接上供保护用的压敏电阻,将电源串入系统的冲击干扰彻底消除。由于有强电磁干扰,把动力线与信号线严格分开,有些地方实在不能分开时,也采用十字交错方式。经过这些改动,浮吊至今已投入运行一年多时间,从没有因为干扰而影响系统正常运行,说明我们采取的抗干扰措施是成功的。

  3.2 变频器闭环矢量控制模式的应用

  616g5系列起重专用型变频器能很好地适应起重领域对于变频器的要求,其速度稳定性好、低速力矩特性好、力矩响应快。它有可以由用户自由设定的开环v/f控制模式、闭环v/f控制模式、开环矢量控制模式及闭环矢量控制模式共四种调速控制模式。

  在常规应用中,采用开环v/f控制模式和开环矢量控制模式即可。在没有特殊要求,调速精度要求不很高和一台变频器带动多台电机的情况,通常采用开环v/f控制模式,实施方便。而在拖动位能型负载等特殊情况,比如普通桥式行车的吊钩机构,利用变频器的开环矢量控制模式,可以很好地满足要求。在对力矩响应、力矩特性有更高要求和需要力矩控制的场合则必须要采用变频器的闭环矢量控制模式。

  浮吊变幅、抓斗和提头机构拖动负载属于典型的位能型负载,各机构运行时,在抱闸线圈松开的一瞬间,或者在低速启动的过程中,如果电机由于电磁惯性一时不能建立足够的磁场强度或者低速力矩特性太差不能提供足够的力矩,则都会发生抓斗下溜现象。因此要求变频器驱动电机要能提供快速力矩响应,低速力矩特性好。另外,对抓斗和提头机构必须采用力矩控制,以解决抓斗和提头两股钢绳的平衡受力问题。所以对浮吊变幅、抓斗和提头机构采用了变频器闭环矢量控制模式。

  浮吊控制系统中,抓斗和提头两股钢绳的受力平衡是比较难解决的问题,在原绕线电机串电阻调速驱动、继电器接触器控制系统中,只有靠时间继电器的延时配合机械特性较软的电机调速控制特性来实现,效果很差。我们通过利用安川的616g5变频器在闭环矢量控制模式具有的力矩控制和速度控制切换功能,通过这一功能特点,在浮吊抓斗和提头运行机构间采用力矩跟踪控制模式,再利用plc的灵活控制性能,很好地攻破了这一技术难关。

  3.3 变频器第二加减速时间功能的利用

  变频器通常具有第二加减速时间设定功能,这一功能常在实际应用中被忽视,如果合理利用这一功能,则会加快调速速度,缩短运行机构反应时间。重钢浮吊塔式抓斗行车本身属于高频率、快反应、大运量快装抓斗行车,它要求控制系统必须满足其快速抓取矿粉的作业需要,而电机采用变频器调速控制以后,由于变频器调速的平稳变速过程,必然导致抓料的每一工序用时较多,长期如此,必将影响生产。这一问题的解决办法就是利用变频器调速的第二加减速时间设定功能,在变频器上设定一组第二加减速时间,第一加减速时间和第二加减速时间的切换由一个多功能输入口控制,通过这一措施的实施,可以使运行机构用变频器调速控制改造后反应时间基本达到用接触器常规控制的水平,由于改造后故障率低,有效作业时间增加,运动机构运行平稳,对位容易,从而提高生产效率,更好地满足了生产需要。

  3.4 其它方面

  在重钢浮吊电气控制系统变频改造以前,由于采用的是常规继电器接触器控制系统,电气控制的缺陷引起很大的机械冲击,浮吊上面振动很大,机械受损严重。在浮吊上电气控制室,由于制动轮与制动闸瓦间的摩擦制动,制动轮和制动闸瓦磨损严重,并使控制室温度很高。这些直接导致了操作工人的工作环境十分恶劣,工作劳动强度很大。采用变频控制改造以后,由于变频器电气制动性能很好,各运动机构的机械制动只作为后备制动保护,电气制动几乎没有冲击,所以浮吊振动很小,机械冲击强度大大减弱。

4 结束语

  变频调速控制技术和plc控制技术应用在浮吊和其它类似工程项目之中,是非常完美的控制方式和手段,虽然在系统投入运行过程中,可能会碰到很多问题,但只要采取科学分析的态度认真对待,就一定能让这些先进的科技产品和技术为我们的生产服务。

  双十吨浮吊全机构经变频调速改造后,一年来的运行实践表明,系统稳定可靠易操作,仅投入119万元,取得年直接经济效益4872万元,生产能力提高近3倍,社会经济效益可观。

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