汇川MD320变频器在铁路局货场20T门式起重机中的应用

• 作者：郑州新元电气技术有限公司 刘志高/王永超

摘 要：本文主要讲述汇川MD320系列矢量变频器在铁路货场20T门式起重机中的运用，以及PLC、触摸屏在变频调速中的灵活应用。
英文摘要: In his paper the Inovance inverter of MD320 seriers applied to 20-t gantry crane and the flexibile uses  of  PLC and Human-machan interface to very-frequence very-speed are described.
关键词:  变频器    门式起重机    PLC


一     引言  
   门式起重机是一种用来起吊、放下和搬运重物、并使重物在一定距离内水平移动的起重、搬运设备，在生产过程中有着重要应用。
   传统的门式起重机调速方法如:绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等，它们共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷，要求定期维护，由集电环和电刷引起的故障较为常见，再加上大量继电器、接触器的使用，致使现场维护量较大，调速系统的故障率较高，而且调速系统的综合技术指标较差，已不能满足工业生产的特殊要求。
交流变频调速传动具有以下特点；
A.可以使普通异步电动机实现无级调速。
B.启动电流小,减少电源设备容量。
C.启动平滑,消除机械的冲击力,保护机械设备。
D.对电机具有保护功能,降低电机的维修费用。
E.具有显著的节电效果。
由于交流变频调速传动技术具有上述特点，已开始取代直流调速装置，成为现代电气传动的发展方向。 其调速原理如下: 从电源端输入三相交流电至变频器后，经整流滤波变换为直流电，再通过电子开关电路转换为频率及电压均可调的三相交流电，然后经滤波后输出，作为电动机的输入电源。
我国起重机开始采用变频器进行调速控制大约在80年代后期，那时大多是V/F比控制的变频器，变频无级调速的平稳性、可控性和节能等特点为交流异步电动机驱动的门式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有高性能的调速指标，可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机，并且高效、节能，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高.随着变频技术的不断发展，专业起重机生产企业也把眼光投向这一高技术领域，并针对起重机作业的特点，深入开展变频调速系统的研究。所以，采用交流变频调速是门式起重机交流调速技术发展的主流。
其次,PLC的基本、应用指令和触摸屏的人性化界面设计，使每个操作司机都能够迅速的适应并掌握本台车的操作习惯，多达86个操作画面，及故障信息查询画面，使维修人员能够迅速的查出故障原因并排除。

二     20T门吊的电气结构
本文针对汇川变频器和三菱PLC在郑州铁路局下属某货场20T门式起重机中应用作以介绍:
本起重机额定起重量: 20T, 起升高度: 11米, 起升速度: 10米/秒, 大车速度: 47.9米/秒, 小车速度: 45.2米/秒,  跨度:18米, 有效悬臂6.5米.
主钩电机   1台   6极变频电机         45KW
大车电机   4台    8极普通异步电机    7.5KW
小车电机   2台    6极普通异步电机    11KW
一)  电气系统主要元器件由汇川MD320系列变频器、三菱FX1N系列PLC、以及天津罗升人机界面构成.
  1) 变频器的选择
采用变频器驱动异步电动机调速，通常应根据异步电动机的额定电流来选择变频器，或者根据异步电动机实际运行中的电流值（最大值）来选择变频器，通常令变频器的额定电流≥（1.05~1.10）电动机的额定电流或电动机实际运行中的最大电流。而在起重机行业,特别对于起升机构为安全其间,所选电器容量要远大于设备的额定容量.故在选主钩电机变频器时要对其容量进行放大处理.
主钩电机为6极变频电机, 3~50Hz范围内为恒转矩运行，50~100Hz范围内为恒功率运行。主钩变频器型号为MD320T-75KW
大车电机为8极电机,7.5KW, 大车变频器型号为MD320T-45KW
小车电机为6极电机,11KW, 小车变频器型号为MD320T-37KW
PLC 选两台60点PLC即FX1N-60MR.   触摸屏选为PWS-6600 ,    
低压电器全部采用施耐德进口器件.
它的基本框图如下:

框图解释
  本电气系统采用两个PLC作为整个系统的数据及逻辑处理核心, 主要有以下优点:
a) 使整个系统的程序分为主钩程序和大小车程序, 便于调试, 将大小车的运行状态通过编码程序传送给PLC0, 进而在触摸屏上显示出来.
b) 突出了系统的集中性: 即监视集中, 操作集中, 管理集中
c) 突出了系统的分散性: 即控制分散, 危险分散, 负荷分散
d) 触摸屏共有80多个画面组成, 内容包括系统的运行状态, 速度显示, 系统测试, 故障频次记录, 历史故障记录,以及排除方法等.
2 系统布置
系统共有四面柜子组成: 电源柜, 起升变频柜, 大小车变频柜, 电阻柜.
起升变频系统用一台PLC来控制主钩变频器的升降, 并与触摸屏通讯。如图:
     大小车系统合装在一台柜内,共用一台PLC,其中PLC将大小车的运行状态, 限位信号等编码后与起升柜内PLC输入相连, 这样就可以在触摸屏上显示出来.如图:
    电阻柜由于要吸收掉变频器的再生能量, 发热, 温度比较高,故放在配电房外,为户外安装.
  为保证柜内元器件的散热, 每台柜内都加装两台轴流风机散热. 同时配电房内也安装了冷暖空调.
  在设计过程中，主要要考虑以下问题:
1) 主钩在上升或下降时的防溜钩问题
在电磁制动器抱住之前和松开后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑而产生溜钩。在这个问题上主要应考虑变频器运行时与电磁制动器接触器吸合的配合时间，若在上升，下降过程中制动器打开过早，易出现溜钩，打开过晚，变频器容易报故障，在停车过程中，若抱闸过早，变频器容易报故障，抱闸过晚易出现溜钩。所以，解决此问题的关键主要有两点:
（1) 起吊重物停住控制要点
通过设定停止起始频率,和维持时间 (应大于制动电磁铁抱闸时间0.6s)，当变频器的工作频率下降到时, 变频器输出一个“频率到达信号”，发出制动电磁铁断电指令，此时维持一段时间，随后变频器工作频率降为0Hz。
（2) 起吊重物升降控制要点
设定“升降起始频率 和“检测电流时间，当变频器达到的同时，变频器开始检测电流，确认电流足够大，产生的力矩能抵消下降力矩时发出松开指令，使制动电磁铁开始通电松开抱闸，应大于电磁铁松开时间。但还有其他参数及机械上的配合。譬如：变频器的加减速时间, 电磁制动器弹簧的松紧程度等)。
2) 自动转矩提升设置
大小车因为是一拖多运行,控制方式应选为 U/F控制,适当地提高中频电压可以改善低频特性，提高启动转矩; 提高零频电压可以加大直流强励磁，可以有效改善大小车的启动特性。,其曲线参见下图:

3) 各传动机构变频器的功能参数设置
门式起重机各传动机构采用的变频器，其变频器的功能参数设置如下表中。

4) 能量回馈问题
主钩变频器在降频过程中，或在下放过程中,电动机从电动状态自动进入发电状态，电动机由此获得制动转距。减速越快，负载的惯量越大，再生的能量也就越大。处理这部分能量既可防止变频器直流母线电压超过额定电压，造成变频器的损坏，同时又可获得所需要的制动转矩。
   起重机在再生能量的处理上，应用最多的是采用外接制动单元和制动电阻的方法，它的优点是将再生能量消耗在电机之外，电动机不发热，适合频繁工作。缺点是这部分再生能量在电阻上以热能形式被白白消耗掉了。这种方式在理论上不及采用可逆变流器的能量回馈型的处理方式好，因为回馈型可以将再生能量回馈电网，使再生能量得到完全的利用。然而，回馈型对以滑触方式受电的起重机是不合适的，任何受电器的跳动都有可能造成逆变的失败，乃至殃及变频器损坏。
所以本系统也采用外接制动单元和制动电阻的方法来防止由于电动机产生的再生能量而引起的变频器故障和损坏。
5) 加减速时间的切换问题
当钩子刚吊着重物，吊绳有松到绷紧直到离开地面的过程中，钩子的称重量由0开始逐渐增加, PLC通过重量限制器输出的信号自动选择工作方式，变频器升速时间也不一样，这就需要一个加减速时间的切换的问题，我们设定空钩的加减速时间为第一加减速，正常及满钩作业时为第二加减速，当重量达到分界线时自动切换到第二加减速时间，第一加减速时间要比第二加减速时间短才能适应吊车的快速作业。
三     电气特点
1)  MD320变频器简介
 MD 系列变频器代表未来变频器的发展方向,主要开创了其领域的三个概念
1    它首创了新一代变频器三层模块化的结构标准，如图:

2 它首创了用户需求进行电机驱动,通用功能,和专用功能等主模块及各种子模块划分的物理标准，如下图

具有以下特点：
a )MD系列变频器采用了真正的电流矢量控制算法，即把定子电流按照坐标变换后分解为转矩电流分量和磁通电流分量，从而实现转矩的精确控制。
b) 灵活的模块化设计，可根据客户行业的不同需要灵活配置各种行业专用模块、功能模块、高性能电机控制模块，易与设备的升级、维护，全面降低应用成本。
c) 丰富的频率源设定方式，功能齐全的多功能输入、输出端子，方便了控制。
d)  优秀的伺服响应特性，对急速负载波动有很强的适应性。
e)  全系列独立风道设计、宽电压范围设计、安全自检功能、安全的防雷设计、完善