1 引言
隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的門式起重機(jī)調(diào)速方法如:繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級(jí)調(diào)速等，它們共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)有集電環(huán)和電刷，要求定期維護(hù)，由集電環(huán)和電刷引起的故障較為常見，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。
交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的門式起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)，并且高效、節(jié)能，其外圍控制線路簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量小，保護(hù)監(jiān)測(cè)功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。所以，采用交流變頻調(diào)速是門式起重機(jī)交流調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主流。
2 1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)運(yùn)行的特點(diǎn)
2.1使用環(huán)境
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)適用于大噸位構(gòu)件組焊、設(shè)備安裝，港口碼頭、鐵路貨場(chǎng)、重工企業(yè)等的貨場(chǎng)裝卸作業(yè)，起升高度可達(dá)13m，最大起吊重量為1100t，它是我國目前起吊量最大的門式起重機(jī)。該產(chǎn)品采用“A”型門架，雙主梁結(jié)構(gòu)，剛性支腿，無懸臂，無馬鞍，并采用雙小車形式。
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)適用的場(chǎng)合均屬露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，有些場(chǎng)所存在多粉塵、有腐蝕氣體等，使用環(huán)境惡劣。門式起重機(jī)運(yùn)行中振動(dòng)、沖擊較大，供電電源方面普遍存在變壓器容量小，供電電纜截面小、線路長;在大型設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，常造成瞬時(shí)欠電壓。
2.2 運(yùn)行特征
(1) 門式起重機(jī)應(yīng)具有大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，通常超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實(shí)驗(yàn)等因素，至少應(yīng)在起動(dòng)加速過程中提供200%的額定轉(zhuǎn)矩;
(2) 由于機(jī)械制動(dòng)器的存在，為使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機(jī)械制動(dòng)器的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩平滑切換，不產(chǎn)生溜鉤現(xiàn)象，必須充分研討變頻器啟動(dòng)信號(hào)與機(jī)械制動(dòng)器動(dòng)作信號(hào)的控制時(shí)序;
(3) 當(dāng)起升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行或平移機(jī)構(gòu)急減速時(shí)，電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向直流電源側(cè)回饋，必須根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況研討如何處理這部分再生能量;
(4) 起升機(jī)構(gòu)在抓吊重物離開或接觸地面瞬間負(fù)載變化劇烈，變頻器應(yīng)能對(duì)這種沖擊性負(fù)載進(jìn)行平滑控制。
3 電動(dòng)機(jī)的選用
籠型異步電動(dòng)機(jī)由變頻器供電時(shí)，會(huì)由于變頻器高次諧波的影響和電機(jī)運(yùn)行速度范圍的擴(kuò)大，出現(xiàn)一些工頻電源供電時(shí)沒有的新問題。
3.1 諧波的影響
籠型異步電動(dòng)機(jī)采用PWM調(diào)制方式的通用變頻器供電時(shí)，定子電流中含有豐富的高次諧波，它造成電動(dòng)機(jī)的鐵損和銅損增加，致使電動(dòng)機(jī)的溫度上升。統(tǒng)計(jì)資料表明，電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下，變頻器供電的電動(dòng)機(jī)比工頻供電時(shí)，電流增加10%，而溫升增加20%左右。選擇電動(dòng)機(jī)容量時(shí)，應(yīng)留有裕量，防止電動(dòng)機(jī)溫升過高，影響其壽命。
3.2 散熱能力的影響
標(biāo)準(zhǔn)籠型電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行時(shí)，額定轉(zhuǎn)速以下隨著轉(zhuǎn)速的降低其散熱能力變差。門式起重機(jī)的起升、平移機(jī)構(gòu)均為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，為了保證低速運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)溫升在容許值內(nèi)，須采用變頻專用電動(dòng)機(jī)。現(xiàn)在國內(nèi)推出的變頻專用電動(dòng)機(jī)由普通籠型異步電動(dòng)機(jī)加裝獨(dú)立風(fēng)扇組成，并且提高了電機(jī)繞組的絕緣能力，可在3~100Hz范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)行。3~50Hz范圍內(nèi)為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，50~100Hz范圍內(nèi)為恒功率運(yùn)行。
3.3 電動(dòng)機(jī)絕緣的影響
現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的通用變頻器大多采用PWM調(diào)制方式的IGBT逆變器技術(shù)，其輸出電壓由高壓脈沖組成，峰值約為電網(wǎng)電壓的1.35倍。根據(jù)電機(jī)電纜特性及供電距離的不同，脈沖電壓的峰值在電動(dòng)機(jī)接線端子處可能加倍，這就對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣提出了更高的要求，詳細(xì)情況應(yīng)參閱變頻器生產(chǎn)廠家提供的使用手冊(cè)或向電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠商咨詢。
為了滿足1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的要求:具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低速滿轉(zhuǎn)矩、高絕緣等級(jí)、寬調(diào)速范圍、高運(yùn)行效率和高可靠性等，起升、大車和小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)均選用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過載荷換算和機(jī)械效率計(jì)算各運(yùn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)如下:
(1) 4臺(tái)起升變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:YP2 280M-8，PN=45kW，IN=93.5A，TN=581Nm，n=740r/min;
(2) 4臺(tái)小車變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:YZP112M-4，PN=4kW，IN=9.5A，TN=26Nm，n=1415r/min;
(3) 16臺(tái)大車變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)參數(shù)為:YZP132S-4，PN=5.5kW，IN=12.2A，TN=36Nm，n=1450 r/min。
4 變頻器的選用
能滿足門式起重機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)，即具有高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、低速滿轉(zhuǎn)矩、快速的轉(zhuǎn)矩上升時(shí)間和抱閘順序控制等功能的高性能工程型變頻器，主要有ABB公司的ACC600系列直接轉(zhuǎn)矩控制型變頻器;西門子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型變頻器。下面就門式起重機(jī)的起升、平移機(jī)構(gòu)的變頻器選用原則做以詳細(xì)說明。
4.1 起升機(jī)構(gòu)
變頻器的容量必須大于負(fù)載所需求的輸出，即:
式中:k—過載系數(shù)1.33;
PM—負(fù)載要求的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率，kW;
η—電動(dòng)機(jī)效率;
cosφ—電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。
起升機(jī)構(gòu)要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為1.3~1.6倍的額定轉(zhuǎn)矩，考慮到需有125%的超載要求，其最大轉(zhuǎn)矩需有1.6~2倍的額定轉(zhuǎn)矩，以確保其安全使用。對(duì)于拖動(dòng)等額功率電動(dòng)機(jī)的變頻器來說，可提供長達(dá)60s、150%額定轉(zhuǎn)矩的過載能力，因此過載系數(shù)k=2/1.5=1.33。
在變頻器容量選定后，還應(yīng)做電流驗(yàn)證，即:
ICN≥kIM
式中:k—電流波形修正系數(shù)(PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05～1.1)
ICN—變頻器額定輸出電流，A
IM—工頻電源時(shí)的電動(dòng)機(jī)額定電流，A
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)有兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)由2臺(tái)電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)各自的鋼絲繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過動(dòng)滑輪組多級(jí)減速提升吊鉤。起升機(jī)構(gòu)的變頻調(diào)速傳動(dòng)方案采用一臺(tái)變頻器帶一臺(tái)電動(dòng)機(jī)的“一拖一”方案，變頻器選用ACC600直接轉(zhuǎn)矩控制型提升機(jī)專用變頻器，為了提高低速傳動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和高轉(zhuǎn)矩輸出能力，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)采用帶脈沖編碼器的速度閉環(huán)控制。每個(gè)起升機(jī)構(gòu)的2臺(tái)變頻器之間采用ACC600變頻器提供的具有同步控制功能的主從控制宏方案，這些控制方案可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的精確同步控制和轉(zhuǎn)矩平衡分配。
按照上述變頻器選用、計(jì)算公式進(jìn)行換算，雙起升機(jī)構(gòu)選用4臺(tái)ACC601-0120-3提升機(jī)專用變頻器，其技術(shù)參數(shù):Shd=100kVA，Phd=75kW，I2hd=147A(4/5min負(fù)載周期重載應(yīng)用)。變頻器配用的4個(gè)脈沖編碼器為NTAC-02，其技術(shù)參數(shù):fmax=100kHz，Vcc=24VDC，1024p/r，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信號(hào)輸出。如圖1所示，每個(gè)起升機(jī)構(gòu)2臺(tái)驅(qū)動(dòng)變頻器之間提供同步控制功能的主從控制宏通過變頻器主機(jī)與從機(jī)通道CH2之間的主/從通訊鏈接實(shí)現(xiàn)。起重機(jī)的各種操作信號(hào)只送給主機(jī)變頻器，從機(jī)變頻器經(jīng)由主從光纖通訊鏈路受控于主機(jī)變頻器，在本例中主傳動(dòng)是典型的速度控制，從機(jī)變頻器跟隨主機(jī)的速度給定。用于速度閉環(huán)控制的脈沖編碼器模塊NTAC-02連接于相對(duì)應(yīng)變頻器的通道CH1，且必須設(shè)置下列參數(shù):
(1) 50.04 ENCODER CHANNEL:CHANNEL 1;
(2) 70.03 CH1 BAUDRATE:4 Mbit/S。
4.2 平移機(jī)構(gòu)
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)的平移機(jī)構(gòu)分大車機(jī)構(gòu)和雙小車機(jī)構(gòu)，兩種機(jī)構(gòu)均采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)方案。由于門式起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了加速電動(dòng)機(jī)需有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此門式起重機(jī)平移機(jī)構(gòu)所需的電動(dòng)機(jī)軸輸出功率PM應(yīng)由負(fù)載功率Pj和加速功率Pa組成，即:
PM≥Pj+Pa
由于平移機(jī)構(gòu)采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，因此在變頻器容量選擇時(shí)，還要滿足以下公式:
ICN≥knIM
式中:k—電流波形修正系數(shù)(PWM調(diào)制方式時(shí)取1.05~1.1)
ICN—變頻器額定輸出電流，A
IM—工頻電源時(shí)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的額定電流，A
n—一臺(tái)變頻器拖動(dòng)的電動(dòng)機(jī)數(shù)量
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)的大車機(jī)構(gòu)和雙小車機(jī)構(gòu)均采用一臺(tái)變頻器拖動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)的通用U/f開環(huán)頻率控制方式，變頻器選用FUJI公司生產(chǎn)的G11系列通用多功能變頻器。按照上述選型、計(jì)算公式進(jìn)行換算，大車變頻器選定為FRN132G11S，其技術(shù)參數(shù):Shd=192kVA，Phd=132kW，I2hd=253A; 2臺(tái)小車變頻器選定為FRN30G11S，其技術(shù)參數(shù):Shd=45kVA，Phd=30kW，I2hd=60A。由于在變頻器“一拖多” 通用U/f開環(huán)頻率控制方式中，變頻器提供的電子熱繼電器保護(hù)功能無法實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)，為此在每臺(tái)電動(dòng)機(jī)回路中串入帶有熱過載保護(hù)功能的低壓斷路器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)單臺(tái)電動(dòng)機(jī)的過載保護(hù)，電動(dòng)機(jī)故障信號(hào)取自低壓斷路器的輔助觸點(diǎn)。
5 再生能量的處理
當(dāng)采用變頻器傳動(dòng)的起升機(jī)構(gòu)拖動(dòng)位能性負(fù)載下放或平移機(jī)構(gòu)急減速、順風(fēng)運(yùn)行時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)將處于再生發(fā)電狀態(tài)。逆變器中的六個(gè)回饋二極管將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲(chǔ)能電容兩端電壓升高。若不采取必要的措施，當(dāng)中間直流回路電容電壓升到保護(hù)極限值后變頻器將過電壓跳閘。
在高性能的工程型變頻器中，對(duì)連續(xù)再生能量的處理有以下兩種方案:
(1) 在中間直流回路設(shè)置電阻器，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱為動(dòng)力制動(dòng);
(2) 采用再生整流器方式，將連續(xù)再生能量送回電網(wǎng)，這種方式稱為回饋制動(dòng)。
動(dòng)力制動(dòng)方式控制簡(jiǎn)單、成本低，但節(jié)能效果不如回饋制動(dòng)。回饋制動(dòng)方式雖然節(jié)能效果好，能連續(xù)長時(shí)制動(dòng)，但控制復(fù)雜、成本較高。應(yīng)該注意的是，只有在不易發(fā)生故障的穩(wěn)定電網(wǎng)電壓下(電網(wǎng)壓降不大于10%)，才可以采用回饋制動(dòng)方式。在再生發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)電壓的故障時(shí)間大于2ms，則變頻器控制板用“低電壓”故障切斷并斷開網(wǎng)側(cè)接觸器，退出回饋制動(dòng)運(yùn)行，從而造成制動(dòng)不能連續(xù)進(jìn)行的故障。對(duì)于采用滑觸線供電的門式起重機(jī)，應(yīng)特別注意防止滑觸線電刷接觸的間斷，如果不能保證這一點(diǎn)，應(yīng)采用動(dòng)力制動(dòng)方式，以保證起升機(jī)構(gòu)持續(xù)下降時(shí)調(diào)速制動(dòng)的可靠性。因此，1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)的雙起升機(jī)構(gòu)、大車機(jī)構(gòu)和雙小車機(jī)構(gòu)均采用動(dòng)力制動(dòng)方式處理各運(yùn)行機(jī)構(gòu)的再生能量。關(guān)于各機(jī)構(gòu)采用動(dòng)力制動(dòng)方式后的元器件選用和計(jì)算,可參閱參考文獻(xiàn)3，限于篇幅，此不贅述。
按照制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻選型、計(jì)算公式進(jìn)行換算，雙起升機(jī)構(gòu)的每臺(tái)變頻器ACC601-0120-3配用2臺(tái)ABB公司的NBRA-659型制動(dòng)單元，其技術(shù)參數(shù):PBRmax=352.8kW;每臺(tái)制動(dòng)單元配置并聯(lián)連接的2臺(tái)SAFUR200F500型制動(dòng)電阻, 其技術(shù)參數(shù):PRcont=13.5kW，R=2.7Ω，ER=5400KJ(400s工作周期)。雙小車機(jī)構(gòu)的每臺(tái)變頻器FRN30G11S-4CX配用1臺(tái)FUJI公司BU37-4C型標(biāo)準(zhǔn)配置制動(dòng)單元，其技術(shù)參數(shù):PBRmax=18.5kW;每臺(tái)制動(dòng)單元按標(biāo)準(zhǔn)配置連接1臺(tái)DB37-4C型制動(dòng)電阻, 其技術(shù)參數(shù):PRcont=1.85kW(10%制動(dòng)使用率)，ER=185KJ(10s制動(dòng)時(shí)間)。大車機(jī)構(gòu)變頻器FRN132G11S-4CX配用1臺(tái)FUJI公司BU132-4C型標(biāo)準(zhǔn)配置制動(dòng)單元，其技術(shù)參數(shù):PBRmax=66.5kW;大車制動(dòng)單元配置并聯(lián)連接的3臺(tái)DB45-4C型制動(dòng)電阻, 其技術(shù)參數(shù):PRcont=2.25kW(10%制動(dòng)使用率)，ER=225KJ(10s制動(dòng)時(shí)間)。
6 PLC在變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
6.1 PLC硬件配置
1100t門式起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了減少繼電器的用量、提高電控系統(tǒng)可靠性和增加系統(tǒng)控制靈活性，引入了PLC控制。PLC主要完成各機(jī)構(gòu)變頻器的給定指令和變頻調(diào)速系統(tǒng)的各種保護(hù)信號(hào)的邏輯控制，I/O點(diǎn)數(shù)多達(dá)121點(diǎn)。
PLC選用德國SIEMENS公司的模塊式S7-300型,CPU單元為CPU315-2DP,存儲(chǔ)器選16KB FEPROM存儲(chǔ)卡，5個(gè)輸入模塊均為16點(diǎn)輸入電壓AC230V的SM321-1FH00，4個(gè)16點(diǎn),AC120V繼電器輸出型的SM322-1HH00輸出單元，1個(gè)獨(dú)立接點(diǎn)8點(diǎn)AC230V繼電器輸出型的SM322-1HF01輸出單元。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)門吊操作信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和各種故障信號(hào)的智能顯示，系統(tǒng)還采用了SIEMENS觸摸屏TP37進(jìn)行智能顯示，TP37與S7-300通過PROFIBUS-DP接口的通訊電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。維修人員可根據(jù)智能顯示屏的故障診斷提示實(shí)現(xiàn)快速維修，從而縮短了門吊發(fā)生故障后的修復(fù)時(shí)間。
6.2 變頻器控制部分的PLC程序設(shè)計(jì)
雙起升機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)變頻器由于采用ACC600起重機(jī)專用變頻器，變頻器的速度給定來自于PLC輸出觸點(diǎn)，因此采用ACC600提供的分級(jí)無線電給定(STEP RADIO)控制模式。它支持4種不同的速度級(jí)別，其速度給定由第一個(gè)速度級(jí)別的方向命令加上另外三個(gè)用于不同速度級(jí)別的觸點(diǎn)指令構(gòu)成。觸點(diǎn)可連接到設(shè)置的DI(包括擴(kuò)展I/O模塊)上，相應(yīng)的速度給定級(jí)別由參數(shù)64.13SPEED REF LEVEL1到64.16 SPEED REF LEVEL 4設(shè)定。只有較低級(jí)的分級(jí)觸點(diǎn)全部閉合，高一級(jí)的才能激活。例如:當(dāng)閉合觸點(diǎn)要打開第4級(jí)的分級(jí)給定時(shí)，第2、3級(jí)的觸點(diǎn)必須閉合。STEP RADIO控制模式不需要零點(diǎn)位置輸入信號(hào)，操縱桿監(jiān)測(cè)功能無效。雙起升機(jī)構(gòu)的PLC程序主要完成起升變頻器給定信號(hào)和外圍信號(hào)的邏輯運(yùn)算、制動(dòng)器的控制和各種故障信號(hào)的邏輯判斷。
大、小車機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)變頻器采用FUJI公司通用多功能G11系列變頻器，變頻器的速度給定采用多段速標(biāo)量控制，它來自于PLC的二進(jìn)制編碼形式輸出觸點(diǎn)。大、小車變頻器均為5檔速度，每檔速度的設(shè)定值在C05多步頻率1到C09多步頻率5中靈活設(shè)置。大、小車機(jī)構(gòu)的PLC程序主要完成變頻器二進(jìn)制編碼多段速標(biāo)量控制模式給定信號(hào)和外圍信號(hào)的邏輯運(yùn)算、制動(dòng)器的控制和各種故障信號(hào)的邏輯判斷。
雙起升機(jī)構(gòu)、雙小車和大車機(jī)構(gòu)PLC程序的實(shí)現(xiàn)，限于篇幅，此不贅述。
7 安裝和接線
7.1 安裝
(1) 耐環(huán)境設(shè)計(jì)
變頻器和PLC正常使用的環(huán)境溫度容許值為0～ 40℃，但1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)主要用于港口碼頭和野外組拼貨場(chǎng)的露天環(huán)境，室外溫度變化劇烈，在冬天和夏天的大部分時(shí)間里，不能滿足變頻器和PLC對(duì)使用環(huán)境溫度的要求。由于不能把變頻器和PLC的環(huán)境溫度限制在其容許值以下，因此采用下述方法保證它們的正常運(yùn)行。
1100t門吊的主梁內(nèi)有8個(gè)長2400mm、寬1600mm、高2950mm相接的梁倉，正好安裝PLC柜、1～3#變頻柜和1～4#電阻柜等8臺(tái)電控柜。為了保證變頻器和PLC正常運(yùn)行所需的溫度，我們對(duì)PLC柜和1～3#變頻柜所在梁倉的鋼板用保溫材料進(jìn)行了處理，并采用海爾工業(yè)中央空調(diào)對(duì)它們進(jìn)行保溫控制。
為了降低電控柜內(nèi)的溫升，在其頂部安裝了冷卻風(fēng)扇，下方設(shè)有帶金屬絲網(wǎng)的進(jìn)氣孔，并讓大發(fā)熱量器件盡量靠近冷空氣進(jìn)風(fēng)口，提高散熱效率，使空氣對(duì)流暢通。
(2) 電磁兼容性設(shè)計(jì)
現(xiàn)在市場(chǎng)上出售的變頻器大多采用不可控整流電源及PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，致使變頻器輸出電流富含各種高次諧波，屬于強(qiáng)電磁干擾源。電磁干擾是通過傳導(dǎo)和輻射這兩種耦合方式進(jìn)入PLC控制系統(tǒng)，產(chǎn)生干擾的。因此，消除或減弱干擾的方法針對(duì)干擾形成的三項(xiàng)因素，即干擾源、干擾途徑和敏感電路，我們采取了以下兩方面的措施。
l 一是消除或降低干擾源的強(qiáng)度。變頻器屬于強(qiáng)電磁干擾源，PLC的安裝盡量遠(yuǎn)離它們。本例中，PLC和變頻器安裝在不同的電控柜內(nèi)。為了減少諧波污染造成的干擾，盡量降低變頻器的載波頻率。本例中，所有變頻器的載波頻率設(shè)為2kHz。
l 二是破壞干擾途徑，防止干擾侵入敏感電路。過程通道是PLC的I/O接口與其外圍設(shè)備進(jìn)行信息傳輸?shù)穆窂�，長線傳輸引入的干擾是主要因素。為了在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中減小過程通道中的干擾，1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)采用了以下技術(shù)措施。
l PLC、變頻器的輸入信號(hào)線與動(dòng)力線在電控柜內(nèi)和主梁內(nèi)分開走線，且沿各自的線槽進(jìn)行配線，并使二者之間保持盡可能大的距離。
l 由于PLC外圍的一些I/O信號(hào)，如極限限位、主令控制器等遠(yuǎn)離PLC主控柜，在實(shí)際布線時(shí)與主回路動(dòng)力線分開布線有困難，因此本例中還選用了數(shù)據(jù)濾波器串入PLC和變頻器的輸入信號(hào)線，以濾除信號(hào)線上的干擾信號(hào),它們都靠近PLC或變頻器安裝。
l 提高PLC輸入模塊的抗干擾能力。本例中，PLC輸入模塊選用1FH00-0AA0，其技術(shù)參數(shù):輸入電壓額定值A(chǔ)C230V，信號(hào)1時(shí)AC79-264V，信號(hào)0時(shí)AC0-40V。一般PLC常用DC24V輸入模塊的輸入電壓信號(hào)1時(shí)DC13-30V，信號(hào)0時(shí)DC0-5V。由以上技術(shù)參數(shù)可知，選用抗干擾能力高的輸入模塊后，PLC輸入電壓信號(hào)1時(shí)的閥值電平由13V提高到79V，從而使PLC電控系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高。
7.2 布線設(shè)計(jì)
(1) 變頻器主回路
1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的變頻器采用直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)方式，它們要使用電動(dòng)機(jī)的一些電機(jī)常數(shù)，而數(shù)據(jù)的獲得是由變頻器的參數(shù)自檢測(cè)程序來完成的。如果按常規(guī)的導(dǎo)線發(fā)熱校驗(yàn)選擇電機(jī)的配線，必然把長距離線路阻抗加入到了參數(shù)自檢測(cè)出的電機(jī)數(shù)據(jù)中，引起變頻器的控制精度下降，達(dá)不到控制要求。另外，變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的r電纜敷設(shè)距離長，則線路壓降大，有時(shí)產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩不足。特別是變頻器輸出頻率較低時(shí)，其輸出電壓也低，線路壓降所占的比例增大。變頻器與電機(jī)間的線路壓降以不超過額定電壓的2%為容許值，電機(jī)電纜的截面可據(jù)此來選擇。
由于在變頻器的輸出布線中存在寄生電容，其容量與電機(jī)電纜的長度成正比，電機(jī)電纜的寄生電容容量越大，采用PWM控制方式的變頻器輸出電纜中的漏電流也越大，從而造成變頻器的出力不夠。所以在門式起重機(jī)的布線設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求減小變頻器到電動(dòng)機(jī)的電纜的長度總和。在1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)的電氣布線設(shè)計(jì)中，如果從大車變頻器控制柜到16臺(tái)大車電動(dòng)機(jī)進(jìn)行直接布線，其電機(jī)電纜的總長度為450m，已超過大車變頻器所允許的350m的最長距離。為了解決這一問題，我們采取把保護(hù)大車電動(dòng)機(jī)的16個(gè)帶有熱過載保護(hù)功能的低壓斷路器分成前后兩組，分別裝設(shè)在大車前、后支腿上的端子箱中，然后再由大車變頻器分別向大車前、后支腿上的端子箱供電，每臺(tái)大車電動(dòng)機(jī)再就近連接到端子箱中相應(yīng)的低壓斷路器上，這樣的布線設(shè)計(jì)使大車變頻器的輸出電機(jī)電纜總長度縮短到120m。
(2) 控制回路
變頻器的控制信號(hào)為微弱的電壓、電流信號(hào)，所以與主回路不同，變頻器的輸出回路是強(qiáng)電磁干擾源，因此，變頻器控制回路的配線不能與變頻器主回路配線在同一根鐵管或同一配線槽內(nèi)敷設(shè)。為了進(jìn)一步提高抗干擾效果，本例還采用1.0mm2絕緣屏蔽導(dǎo)線傳輸PLC與變頻器之間的控制信號(hào)和起升電動(dòng)機(jī)脈沖編碼器的速度反饋信號(hào)。絕緣屏蔽導(dǎo)線的接地在變頻器側(cè)進(jìn)行單點(diǎn)接地，使用專用的接地端子。
8 結(jié)束語
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展完善，交流變頻調(diào)速技術(shù)日益顯現(xiàn)出優(yōu)異的控制及調(diào)速性能，高效率、易維護(hù)等特點(diǎn)，加之它的價(jià)格不斷下降，使其成為起重機(jī)械一種優(yōu)選的調(diào)速方案。但是，要使變頻器成功地應(yīng)用于門式起重機(jī)調(diào)速，就必須針對(duì)門式起重機(jī)的特點(diǎn)，計(jì)算和選擇變頻器及其外圍的輔件，并在安裝與布線時(shí)采取特殊技術(shù)措施，以保證變頻調(diào)速的門式起重機(jī)安全、可靠地運(yùn)行。本文提出的變頻調(diào)速控制方案和設(shè)計(jì)計(jì)算方法已成功應(yīng)用于我公司給中國一重集團(tuán)制造的目前我國起吊量最大的門吊—1100t變頻調(diào)速門式起重機(jī)，該門吊已在神華集團(tuán)的煤液化基地投入正常運(yùn)行。經(jīng)過一年多的實(shí)際運(yùn)行證明，PLC控制的變頻調(diào)速門式起重機(jī)，不但線路大為簡(jiǎn)化，而且各項(xiàng)調(diào)速性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的繞線異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速系統(tǒng)，再加上變頻器和PLC完善的故障診斷和顯示功能，使整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性、可維修性得到大幅度提高。
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