臺達VE系列變頻器在天車中的應用

　 1  引言

　　橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的起重機，又稱天車。橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成矩形的工作范圍，就可以充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。

　　橋式起重機廣泛地應用在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。橋式起重機可分為普通橋式起重機、簡易粱橋式起重機和冶金專用橋式起重機三種。本文主要利用臺達VE系列和B系列變頻器通過分別驅動的方式使橋式起重機平穩運行。

　　2  橋式起重機

　　2.1 工藝結構

　　普通橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。起重小車又由起升機構、小車運行機構和小車架三部分組成。

　　提升機構包括電動機、制動器、減速器、卷筒和滑輪組。電動機通過減速器，帶動卷筒轉動，使鋼絲繩繞上卷筒或從卷筒放下，以升降重物。小車架是支托和安裝起升機構和小車運行機構等部件的機架，通常為焊接結構。

　　起重機運行機構的驅動方式可分為兩大類：一類為集中驅動，即用一臺電動機帶動長傳動軸驅動兩邊的主動車輪；另一類為分別驅動、即兩邊的主動車輪各用一臺電動機驅動。中、小型橋式起重機較多采用制動器、減速器和電動機組合成一體的“三合一”驅動方式，大起重量的普通橋式起重機為便于安裝和調整，驅動裝置常采用萬向聯軸器。

　　普通橋式起重機主要采用電力驅動，一般是在司機室內操縱，也有遠距離控制的。起重量可達五百噸，跨度可達60米。

　　2.2 驅動需求

　　橋式起重機作為搬運大且重的物品的通用裝備，對驅動機構有特殊要求：

　　（1）起重機應具有大的啟動轉矩，通常超過150%的額定轉矩，若考慮超載實驗等因素，至少應在起動加速過程中提供200%的額定轉矩。

　　（2）由于機械制動器的存在，為使變頻器輸出轉矩與機械制動器的制動轉矩平滑切換，不產生溜鉤現象，必須變頻器啟動信號與機械制動器動作信號的控制時序。

　　（3）當起升機構向下運行或平移機構急減速時，電動機將處于再生發電狀態，其能量要向電源側回饋，必須根據不同的現場情況研討如何處理這部分再生能量。

　　（4）起升機構在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器應能對這種沖擊性負載進行平滑控制。

　　3  變頻驅動控制

　　3.1抱閘驅動控制

　　針對橋式起重機的特殊要求，臺達VFD-VE系列變頻器設計了客制化的專用驅動功能。通過變頻器的多功能端子實時檢測輸出電流和輸出頻率兩個變量，控制起重機包閘系統動作，如圖1所示。在啟動時當輸出電流和輸出頻率同時大于設定值時，打開包閘；在天車停止時，如果輸出頻率和輸出電流任一小于設定值時，則包閘關閉。這種方式可以充分保證了變頻器能夠提供足夠轉矩的同時保證了系統的安全。

            圖1 臺達變頻器抱閘驅動控制

   3.2 起升驅動控制

　　變頻器的容量必須大于負載所需求的輸出，即：Poηcosφ≥kPm

　　式中k--過載系數1.33

　　Pm--負載要求的電動機軸輸出功率，kW

　　η--電動機效率

　　cosφ--電動機的功率因數

　　起升機構要求的起動轉矩為1.3-1.6倍的額定轉矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉矩需有1.6-2倍的額定轉矩，以確保其安全使用。對于拖動等額功率電動機的變頻器來說，可提供長達60秒、150%額定轉矩的過載能力，因此過載系數k=2/1.5=1.33。

　　在變頻器容量選定后，還應做電流驗證，即：Icm≥kIm

　　式中k--電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05-1.1）

　　Icn--變頻器額定輸出電流，A

　　Im--工頻電源時的電動機額定電流，A

　　一般的大噸位起重機有兩個獨立驅動的起升機構，每個起升機構由2臺電動機同步驅動各自的鋼絲繩卷筒轉動，再經過動滑輪組多級減速提升吊鉤。起升機構的變頻調速傳動方案采用一臺變頻器帶一臺電動機的“一拖一”方案，為了提高低速傳動時的動態特性和高轉矩輸出能力，每臺電動機采用帶脈沖編碼器的速度閉環控制。每個起升機構的2臺變頻器之間采用中科變頻器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主從控制方案，這些控制方案可以實現2臺電動機精確的轉矩平衡分配和2個起升機構的速度同步。

　　3.3 平移驅動控制

　　起重機的平移機構分大車機構和小車機構，兩種機構一般采用多臺電動機傳動方案。由于起重機平移機構的轉動慣量較大，為了加速電動機需有較大的起動轉矩，因此起重機平移機構所需的電動機軸輸出功率Pm應由負載功率Pj和加速功率Pa組成，即：Pm≥Pj+Pa

　　由于平移機構采用一臺變頻器拖動多臺電動機的通用V/F開環頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時，還要滿足以下公式：Icn≥knIm

　　式中k--電流波形修正系數（PWM調制方式時取1.05～1.1）

　　Icn--變頻器額定輸出電流，A

　　Im--工頻電源時單臺電動機的額定電流，A

　　n--一臺變頻器拖動的電動機數量

　　由于在變頻器“一拖多”通用V/F開環頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護功能無法實現對單臺電動機的過載保護，為此在每臺電動機回路中串入帶有熱過載保功能的低壓斷路器，以實現對單臺電動機的過載保護，電動機故障信號取自低壓斷路器的輔助觸點。

　　3.4 臺達變頻器選型

　　臺達VE系列變頻器結合本系統控制功能的要求，價低質優、抗燥耐用，易實現模擬量控制等特點，也適合炭素惡劣環境使用。其改造費用低。其天車改造配用的變頻器參數如下：

　　(1) 大車變頻器選用VFD150V43A-2  15kw 20hp 32a  380v 50hz 1臺。

　　(2)小車變頻器選用 VFD055V43A-2  5.5kw 7.5hp 16a 380v 50hz 1臺。

　　(3)提升變頻器選用 VFD075V43A-2  7.5kw  10hp 22a 380v 50hz 1臺。

    4  電控系統實現

　　4.1 電控系統原理設計

　　變頻調速控制系統主要是由臺達VE系列變頻器，ES系列PLC，雙手柄聯動控制臺組成，PLC采集手柄控制器信號，經過程序進行邏輯判斷，依據判斷結果調節變頻器的輸出，來控制驅動電機的方向、轉速和力矩，取代原來的傳統繞線型轉子串電阻調速驅動系統。變頻器抱閘驅動控制如圖2所示

                   圖2 電控系統原理

   4.2 電控系統參數調試

　　在該系統中VFD-VE變頻器的參數主要如下：

　　（1）提升變頻器：

　　提升機變頻器參數：

　　F=20Hz       00-10=0（運行于VF模式）

　　01-12=2   （加速時間2s）

　　01-13=2   （減速時間2s）

　　02-13=42   (天車動作)

　　02-31=3Hz，02-32=20%  (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時，天車動作打開包閘)

　　02-33=4Hz, 02-34=30%  (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時，天車動作關閉包閘)。

　　（2）小車機變頻器參數：

　　F=10Hz       00-10=0（運行于VF模式）

　　01-12=5   （加速時間5s）

　　01-13=5   （減速時間5s）

　　02-13=42   (天車動作)

　　02-31=3Hz，02-32=20%  (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時，天車動作打開包閘)

　　02-33=4Hz, 02-34=30%  (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時，天車動作關閉包閘)

　　（3）大車機變頻器參數：

　　F=10Hz       00-10=0（運行于VF模式）

　　01-12=5   （加速時間5s）

　　01-13=5   （減速時間5s）

　　02-13=42   (天車動作)

　　02-31=3Hz，02-32=20%  (輸出頻率>3Hz，輸出電流>20%時，天車動作打開包閘)

　　02-33=4Hz, 02-34=30%  (輸出頻率<4Hz，輸出電流<30%時，天車動作關閉包閘)

　　5  結束語

　　基于臺達VE變頻器的橋式起重機，不論運行還是停止等過程，均沒有出現溜鉤、速度不穩等現象。臺達VE變頻器降低了原有系統的故障率，提高了現場控制的靈活性。在提升系統運行的質量的同時還節約了客戶運營成本。