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台达VE系列变频器在天车中的应用

中达电通股份有限公司
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    摘    要:本文介绍了桥式起重机的工作原理和应用环境,详细阐述了台达VFD-VE系列变频器的天车功能模式。为VFD-VE在天车行业中的应用提供指导依据。
    关 键 字:桥式起重机  VFD-VE  天车功能
    Abstract: The paper introduces the working principle of bridge crane and application environment. And then expounds the platform of VFD - VE series inverter crane function as to provide guidance on VFD - VE application in industry.
    Keywords: bridge crane  VFD-VE  crane function
 
引言
    桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的起重机,又称天车。桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行,起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行,构成矩形的工作范围,就可以充分利用桥架下面的空间吊运物料,不受地面设备的阻碍。
    桥式起重机广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。桥式起重机可分为普通桥式起重机、简易粱桥式起重机和冶金专用桥式起重机三种。本文主要利用台达VE系列和B系列变频器通过分别驱动的方式使桥式起重机平稳运行。

桥式起重机
2.1 工艺结构
    普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成。
    提升机构包括电动机、制动器、减速器、卷筒和滑轮组。电动机通过减速器,带动卷筒转动,使钢丝绳绕上卷筒或从卷筒放下,以升降重物。小车架是支托和安装起升机构和小车运行机构等部件的机架,通常为焊接结构。
    起重机运行机构的驱动方式可分为两大类:一类为集中驱动,即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮;另一类为分别驱动、即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中、小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式,大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整,驱动装置常采用万向联轴器。
    普通桥式起重机主要采用电力驱动,一般是在司机室内操纵,也有远距离控制的。起重量可达五百吨,跨度可达60米。

2.2
驱动需求
    桥式起重机作为搬运大且重的物品的通用装备,对驱动机构有特殊要求:
    (1)起重机应具有大的启动转矩,通常超过150%的额定转矩,若考虑超载实验等因素,至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩。
    (2)由于机械制动器的存在,为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换,不产生溜钩现象,必须变频器启动信号与机械制动器动作信号的控制时序。
    (3)当起升机构向下运行或平移机构急减速时,电动机将处于再生发电状态,其能量要向电源侧回馈,必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。
    (4)起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈,变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。

变频驱动控制
3.1抱闸驱动控制
    针对桥式起重机的特殊要求,台达VFD-VE系列变频器设计了客制化的专用驱动功能。通过变频器的多功能端子实时检测输出电流和输出频率两个变量,控制起重机包闸系统动作,如图1所示。在启动时当输出电流和输出频率同时大于设定值时,打开包闸;在天车停止时,如果输出频率和输出电流任一小于设定值时,则包闸关闭。这种方式可以充分保证了变频器能够提供足够转矩的同时保证了系统的安全。
   

                         
                        图1 台达变频器抱闸驱动控制
 
3.2 起升驱动控制
    变频器的容量必须大于负载所需求的输出,即: 
 
    式中 ——过载系数1.33
     ——负载要求的电动机轴输出功率,kW
     ——电动机效率
     ——电动机的功率因数
    起升机构要求的起动转矩为1.3—1.6倍的额定转矩,考虑到需有125%的超载要求,其最大转矩需有1.6—2倍的额定转矩,以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说,可提供长达60秒、150%额定转矩的过载能力,因此过载系数k=2/1.5=1.33。
    在变频器容量选定后,还应做电流验证,即:
    
    式中 ——电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05—1.1)
      ——变频器额定输出电流,A
      ——工频电源时的电动机额定电流,A
    一般的大吨位起重机有两个独立驱动的起升机构,每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动,再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案,为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力,每台电动机采用带脉冲编码器的速度闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用中科变频器提供的具有功率平衡和速度同步控制功能的主从控制方案,这些控制方案可以实现2台电动机精确的转矩平衡分配和2个起升机构的速度同步。

3.3
平移驱动控制
    起重机的平移机构分大车机构和小车机构,两种机构一般采用多台电动机传动方案。由于起重机平移机构的转动惯量较大,为了加速电动机需有较大的起动转矩,因此起重机平移机构所需的电动机轴输出功率 应由负载功率 和加速功率 组成,即:
    
    由于平移机构采用一台变频器拖动多台电动机的通用V/F开环频率控制方式,因此在变频器容量选择时,还要满足以下公式:
    
    式中 ——电流波形修正系数(PWM调制方式时取1.05—1.1)
     ——变频器额定输出电流,A
     ——工频电源时单台电动机的额定电流,A
     ——一台变频器拖动的电动机数量
    由于在变频器“一拖多”通用V/F开环频率控制方式中,变频器提供的电子热继电器保护功能无法实现对单台电动机的过载保护,为此在每台电动机回路中串入带有热过载保功能的低压断路器,以实现对单台电动机的过载保护,电动机故障信号取自低压断路器的辅助触点。

3.4
台达变频器选型
    台达VE系列变频器结合本系统控制功能的要求,价低质优、抗燥耐用,易实现模拟量控制等特点,也适合炭素恶劣环境使用。其改造费用低。其天车改造配用的变频器参数如下:
    (1) 大车变频器选用VFD150V43A-2  15kw 20hp 32a  380v 50hz 1台。
    (2)小车变频器选用 VFD055V43A-2  5.5kw 7.5hp 16a 380v 50hz 1台。
    (3)提升变频器选用 VFD075V43A-2  7.5kw  10hp 22a 380v 50hz 1台。

电控系统实现
4.1 电控系统原理设计
    变频调速控制系统主要是由台达VE系列变频器,ES系列PLC,双手柄联动控制台组成,PLC采集手柄控制器信号,经过程序进行逻辑判断,依据判断结果调节变频器的输出,来控制驱动电机的方向、转速和力矩,取代原来的传统绕线型转子串电阻调速驱动系统。变频器抱闸驱动控制
所示。
   

  图2 电控系统原理

4.2
电控系统参数调试
在该系统中VFD-VE变频器的参数主要如下:
(1)提升变频器:
     提升机变频器参数:
     F=20Hz       00-10=0(运行于VF模式)
     01-12=2   (加速时间2s)
     01-13=2   (减速时间2s)
     02-13=42   (天车动作)
     02-31=3Hz,02-32=20%  (输出频率>3Hz,输出电流>20%时,天车动作打开包闸)
     02-33=4Hz, 02-34=30%  (输出频率<4Hz,输出电流<30%时,天车动作关闭包闸)。
(2)小车机变频器参数:
     F=10Hz       00-10=0(运行于VF模式)
     01-12=5   (加速时间5s)
     01-13=5   (减速时间5s)
     02-13=42   (天车动作)
     02-31=3Hz,02-32=20%  (输出频率>3Hz,输出电流>20%时,天车动作打开包闸)
     02-33=4Hz, 02-34=30%  (输出频率<4Hz,输出电流<30%时,天车动作关闭包闸)
(3)大车机变频器参数:
     F=10Hz       00-10=0(运行于VF模式)
     01-12=5   (加速时间5s)
     01-13=5   (减速时间5s)
     02-13=42   (天车动作)
     02-31=3Hz,02-32=20%  (输出频率>3Hz,输出电流>20%时,天车动作打开包闸)
     02-33=4Hz, 02-34=30%  (输出频率<4Hz,输出电流<30%时,天车动作关闭包闸)

结束语
    基于台达VE变频器的桥式起重机,不论运行还是停止等过程,均没有出现溜钩、速度不稳等现象。台达VE变频器降低了原有系统的故障率,提高了现场控制的灵活性。在提升系统运行的质量的同时还节约了客户运营成本。

 
 
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