摘要：通過對整個(gè)系統(tǒng)的控制思路和電氣元件的選取來著重介紹交流變頻調(diào)速技術(shù)在門座起重機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)，并以安川G7系列變頻器為例，對2電平控制和3電平控制的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，進(jìn)一步說明新型3電平變頻技術(shù)的應(yīng)用對舊式門座起重機(jī)變頻改造的重要性。
關(guān)鍵詞：門座起重機(jī)；電控系統(tǒng)；變頻；改造
港口門座起重機(jī)(以下簡稱門機(jī))是港口碼頭前沿裝卸一般散雜貨的通用港口裝卸起重機(jī)，在各海港、內(nèi)河碼頭都廣泛使用。多數(shù)港口的舊門機(jī)多采用轉(zhuǎn)子串電阻方式進(jìn)行有級調(diào)速，此方式調(diào)速范圍窄，速度切換不平穩(wěn)，因此整機(jī)的沖擊大、尤其在停車與起動(dòng)時(shí)震動(dòng)較為厲害，加速了門機(jī)鋼結(jié)構(gòu)磨損，也使維修量大大增加。近年來隨著港口自動(dòng)化水平的提高，交流變頻調(diào)速技術(shù)在門機(jī)中的應(yīng)用已經(jīng)越來越普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年各港口新配備的門機(jī)中已全部加入了變頻技術(shù)，明顯降低了故障率，提高了工作效率。在這種情況下，舊門機(jī)電控系統(tǒng)的變頻改造就顯得尤為迫切。本文以門機(jī)電控制系統(tǒng)變頻改造為題，探討分析變頻調(diào)速技術(shù)在門機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)。
1. 控制系統(tǒng)硬件配置
門機(jī)的變頻改造主要是對起升(包括支持、開閉)、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走等機(jī)構(gòu)的電控系統(tǒng)進(jìn)行改造。由于各機(jī)構(gòu)電機(jī)功率一般較大，進(jìn)行改造一次性投資過高，所以實(shí)際改造中往往根據(jù)用戶要求進(jìn)行選擇性改造，由于大車部分工藝要求相對簡單，改造后效果不是很明顯，所以目前國內(nèi)的舊門機(jī)變頻改造多采用只改起升、變幅、旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)，也有只改造其中個(gè)別機(jī)構(gòu)的。
門機(jī)變頻控制改造硬件配置主要包括司機(jī)室操縱臺、PLC、主令于柄、機(jī)器房PLC、變頻器以及電動(dòng)機(jī)、編碼器等電氣單元的更換更新。
某公司門機(jī)變頻改造多采用美國GE Fanuc PLC與日本安川G7系列變頻器，取代了原有的電氣元件。如用PLC代替繼電器邏輯控制，提高電氣控制的可靠性，用變頻器調(diào)速替代電機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速，很好地解決了起動(dòng)電流大、電氣元件故障率高、調(diào)速范圍窄的問題。
2. PLC控制系統(tǒng)
2.1 PLC選擇
PLC是門機(jī)4個(gè)機(jī)構(gòu)的控制中心，是通過采集限位、回饋等現(xiàn)場輸入信號，并提供用來控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)和聲光報(bào)警設(shè)備的輸出信號來進(jìn)行工作的，根據(jù)原系統(tǒng)現(xiàn)場輸入，輸出信號的作用及數(shù)量，結(jié)合門機(jī)控制工藝的改造要求選擇PLC型號規(guī)格。以秦皇島港1臺10t/33m門機(jī)改造為例，通過對該機(jī)工況的了解，實(shí)際需要輸入點(diǎn)102個(gè)，輸出點(diǎn)56個(gè)，可選用GE Fanuc9030系列PLC。
但是考慮到輸入或輸出點(diǎn)壽命的問題及系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，故實(shí)際使用8個(gè)輸入模塊共128點(diǎn)，5個(gè)輸出模塊共64點(diǎn)，以便滿足日后升級要求。
2.2 PLC輸入，輸出模塊化(I/O圖)設(shè)計(jì)
該設(shè)計(jì)中，模塊按功能布置分組設(shè)計(jì)。第1S2、1S3、1S4、1S5組模塊作為各機(jī)構(gòu)運(yùn)行條件，限位保護(hù)，及機(jī)構(gòu)保護(hù)檢測電路的信號輸入點(diǎn)，第lS6、1S7、1S8組作為起升、行走、變幅、回轉(zhuǎn)操縱手柄信號輸入點(diǎn)。第2S1、2S2組模塊作為起升、行走、變幅、回轉(zhuǎn)擋位信號輸出點(diǎn)。第2S3、2S4組模塊作為中繼及指示燈信號輸出點(diǎn)。
2.3 PLC軟件的使用
PLC程序采用GE Fanuc ME4.0軟件程序編寫，該軟件可分不同子程序項(xiàng)目名稱進(jìn)行編程，其中子程序項(xiàng)目按電源、支持、開閉、變幅、旋轉(zhuǎn)、行走和報(bào)警等6部分編寫，這樣既瀏覽直觀，又便于用戶維修。
3. 變頻器調(diào)速系統(tǒng)
在選用變頻器調(diào)速時(shí)，應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)特性與實(shí)際各機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，起重機(jī)的4個(gè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)所需的變頻器功率均不同。本例采用日本安川公司G7系列高性能變頻器，它是具有三電平控制電流矢量控制變頻器，是目前世界上唯一采用三電平控制的低壓變頻器。下面以10t/33m門機(jī)變頻改造為例，具體從起升機(jī)構(gòu)敘述變頻控制原理，其他變幅、旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)與起升基本相同，只作簡單描述。
3.1 起升機(jī)構(gòu)
起重機(jī)的核心是起升機(jī)構(gòu)，裝卸散貨用門機(jī)的起升機(jī)構(gòu)又包括支持和開閉2個(gè)機(jī)構(gòu)，控制方式相同，它們均是位能變動(dòng)性負(fù)載。因此，要求系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，這樣才能使貨物裝卸平穩(wěn)，安全可靠。如果利用原有繞線式電動(dòng)機(jī)使用變頻調(diào)速控制是比較難滿足條件的，故電動(dòng)機(jī)需要更換成更具有優(yōu)越性，高性能的變頻專用電動(dòng)機(jī)。但就目前港口門機(jī)的現(xiàn)狀，并根據(jù)用戶要求和從性價(jià)比角度考慮，常采用變頻調(diào)速改造時(shí)不更換原電機(jī)，僅把繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路短接，去掉了逐級切除電阻調(diào)速用的接觸器部分，選用變頻器控制，也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的無級和元觸點(diǎn)控制。但其性能不如采用高性能變頻專用電動(dòng)機(jī)的控制效果好，但能滿足用戶要求，而且改造成本比較低，投資回報(bào)快，在資金允許時(shí)再更換變頻專用電動(dòng)機(jī)也很容易，只要對電機(jī)作一下停止性自學(xué)習(xí)即可使用。
根據(jù)原門機(jī)設(shè)計(jì)要求及用戶需求，本例中支持和開閉2個(gè)機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)選用了90kW變頻專用電動(dòng)機(jī)，選配日本光洋TRD-S600B編碼器，用作速度控制反饋信號，故變頻器選用132kW型號為CIMR-G7A4132安川變頻器，配帶PG-B2速度反饋卡進(jìn)行閉環(huán)矢量控制，系統(tǒng)具有足夠的硬度和良好的低頻轉(zhuǎn)矩特性，即使變頻器輸出是0Hz電動(dòng)機(jī)也能以150%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，且速度控制精度達(dá)到1：1000，并采用PLC和變頻器來控制制動(dòng)器的松閘和抱閘。采用PG-B2速度反饋卡進(jìn)行閉環(huán)控制，檢測電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際的零速抱閘，可大大延長制動(dòng)器閘瓦、減速箱、鋼絲繩的壽命，降低故障率，提高工作效率。
變頻器的無級調(diào)速很廣，可以根據(jù)需要自由設(shè)定加減速時(shí)間；良好的低速力矩特性使電機(jī)在起動(dòng)和加速時(shí)可獲得足夠大的加速度；制動(dòng)單元及制動(dòng)電阻的接入使電機(jī)在減速和停車時(shí)能夠獲得足夠的制動(dòng)力矩。變頻器的上述特性保證了門機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)具有很好的速度響應(yīng)性能。由于變頻器本身是高可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，故障率極低，因而大大降低了設(shè)備的故障率，減少了維護(hù)人員的工作量，提高了作業(yè)效率。由于安川變頻器針對起重機(jī)行業(yè)的功能設(shè)計(jì)，通過PLC的邏輯判斷，真正保證了電機(jī)能夠在 零速 抱閘，實(shí)現(xiàn)了變頻器平穩(wěn)的起、制動(dòng)，從而減輕了各個(gè)機(jī)構(gòu)在機(jī)械起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對門機(jī)機(jī)械部分造成的沖擊，延長了門機(jī)機(jī)械部分的壽命。因變頻器采用交-直-交控制方式，配有進(jìn)線電抗器，可使重載作業(yè)時(shí)的平均功率因數(shù)達(dá)85%以上，大大超過工普通電控門機(jī)的60%，節(jié)能率達(dá)到30%。
3.2 變幅、旋轉(zhuǎn)、行走機(jī)構(gòu)
變幅機(jī)構(gòu)多為繞線式電機(jī)控制帶動(dòng)齒條變幅，為常規(guī)控制有級調(diào)速，因此變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)沖擊增大、尤其在停車與起動(dòng)時(shí)震動(dòng)較大，可造成減速器l密封不嚴(yán)，漏油加劇，加速機(jī)構(gòu)磨損，增加了維修量。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)多為轉(zhuǎn)柱型、其回轉(zhuǎn)軸承的支撐重量較重，造成門機(jī)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起制動(dòng)過程中晃動(dòng)較大，對鋼結(jié)構(gòu)的壽命產(chǎn)生了一定的影響；且門機(jī)剎車腳踏力較大，從而造成司機(jī)的操作疲勞。通過對上述原因進(jìn)行分析，變幅、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的撞擊是由于起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能無法很好的吸收造成的，通過引入變頻調(diào)速系統(tǒng)可解決上述問題。
(1)變幅機(jī)構(gòu) 原變幅機(jī)構(gòu)是1臺30kW繞線式電動(dòng)機(jī)，根據(jù)用戶改造成本狀況，從技術(shù)和生產(chǎn)要求考慮，變幅機(jī)構(gòu)改用一臺30kW變頻專用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，變頻器選用安川的45kW變頻器CIMR-G7A4045，利用交流變頻調(diào)速的特性，選用開環(huán)矢量控制的模式。
開環(huán)矢量控制是不采用PG卡和編碼器，不需要速度反饋而實(shí)現(xiàn)的矢量控制模式，相對于閉環(huán)矢量控制精度低，但比V/F控制精度高很多，可實(shí)現(xiàn)0.3Hz時(shí)電動(dòng)機(jī)能以150%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，且速度控制精度達(dá)到1：200，速度響應(yīng)10Hz。
(2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 原旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是2臺22kW繞線式電動(dòng)機(jī)，考慮改造中既要節(jié)約成本開支，亦能滿足技術(shù)和生產(chǎn)要求的情況下，將原來電動(dòng)機(jī)不更換，分別把2臺電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組抽頭端子短接，去除原來的電阻，選用一臺55kW的型號為CIMR-G7A4055的安川變頻器，選用開環(huán)V/F控制的模式實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的要求。
(3)行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)是非工作性機(jī)構(gòu)且運(yùn)行頻率低，故采用原有的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)。左腿與右腿共使用了4臺11kW標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在本起重機(jī)工作中，防止事故的發(fā)生，旋轉(zhuǎn)與行走機(jī)構(gòu)是不能同時(shí)運(yùn)行的。經(jīng)計(jì)算，行走總功率為：4臺11kW的電機(jī)總功率之和44kW，恰與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總功率相當(dāng)，鑒于以上因素，、采用共用一臺變頻器調(diào)速，使用CIMR-G7A4055變頻器，利用交流變頻調(diào)速的V/F開環(huán)控制模式實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速控制。
4. 3電平控制變頻器的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用前景
隨著變頻調(diào)速技術(shù)的不斷進(jìn)步，安川公司已正式在中國市場推出了采用了3電平控制的真正電流矢量控制型G7系列變頻器，是目前世界上唯一采用三電平控制的400V級通用變頻器，使變頻器輸出電壓更接近正弦波。
傳統(tǒng)的 2電平控制 方式用6個(gè)IGBT控制電壓，新型的 3電平控制 方式采用12個(gè)IGBT控制電壓。3電平控制方式回路構(gòu)成見圖4，通過母線間的電解電容將直流電壓一分為二，通過IGEBT的ON/OFF開關(guān)動(dòng)作得到3個(gè)電平，使3電平控制時(shí)直流側(cè)電壓的變化是 2電平控制 方式的1/2，沖擊電壓由原來的1200V下降到770V，故沖擊電壓大大降低，因此不會(huì)發(fā)生絕緣劣化，可以在不需要外接沖擊濾波器的情況下使用通用電機(jī)。3電平控制的漏電流為采用2電平控制的漏電流的1/2，從而減少了接地故障檢測的誤動(dòng)作，通過比較發(fā)現(xiàn)使用 3電平控制 較原來的 2電平控制 方式噪聲干擾下降20dB。低沖擊電壓、低干擾和低噪聲是3電平控制變頻器的主要優(yōu)點(diǎn)。
采用2電平控制方：式的變頻器，原則上要求配用變頻專用電機(jī)，但實(shí)際上通常采用的多為普通繞線電機(jī)，這種電機(jī)不但啟動(dòng)電流比同功率的變頻電機(jī)大，而且絕緣等級也比變頻電機(jī)低(變頻電機(jī)一般為F級，而普通繞線電機(jī)一般為B級)。采用2電平控制的變頻器有如下缺點(diǎn)：一是施加在電機(jī)軸的沖擊電壓對繞線電機(jī)軸承及電機(jī)線圈的損害；二是變頻器在矢量控制模式(如變幅和起升電機(jī)的控制)時(shí)要求進(jìn)行旋轉(zhuǎn)型自學(xué)習(xí)，并且要求在自學(xué)習(xí)時(shí)脫開負(fù)載。
變幅和起升電機(jī)要脫開負(fù)載時(shí)，必須要求減速箱與電機(jī)軸脫開，給調(diào)試造成不便，如果不進(jìn)行自學(xué)習(xí)則不能達(dá)到矢量控制的效果，即重載時(shí)容易造成 溜車 。
安川公司推出的G7系列變頻器則完全解決了上述問題。G7系列變頻器相對其他 2電平控制 變頻器有如下方面的改善：
(1)采用3電平控制模式，可驅(qū)動(dòng)普通電機(jī)；
(2)可實(shí)現(xiàn)停止型自學(xué)習(xí)；
(3)低速力矩方面進(jìn)一步改善，它實(shí)現(xiàn)了在無PG矢量控制時(shí)在0.3Hz可輸出150%以上的轉(zhuǎn)矩；
(4)可實(shí)現(xiàn)過載150%額定功率1min和200%額定功率0.5s的過載能力；
(5)采用無PG矢量2控制，即使在無PG時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)力矩控制；
(6)能很好的抑制作用在電機(jī)上的沖擊電壓，無需電機(jī)的沖擊電壓對策。
綜上所述，新型3電平控制變頻器既繼承了2電平控制的優(yōu)點(diǎn)，又解決了原2電平控制的缺點(diǎn)和不足；特別是安川G7系列變頻器秉承安川變頻器在起重機(jī)行業(yè)的一貫優(yōu)勢，使門機(jī)在變頻改造后性能和可靠性進(jìn)一步提升。經(jīng)過一些港口的使用，系統(tǒng)投入運(yùn)行以來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，受到用戶好評。
5. 結(jié)束語
門機(jī)自變頻改造以來，性能穩(wěn)定良好，維護(hù)工作量明顯減小。與改造前比較有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)制動(dòng)器閘瓦損耗少，制動(dòng)輪元磨擦發(fā)熱現(xiàn)象；
(2)減速器和傳動(dòng)部件噪聲減少了；
(3)改造后比改造前節(jié)能約10%；
(4)鋼絲繩磨損大大減少；
(5)使用PLC、變頻器控制后，檢修方便快捷；
(6)整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作效率提高。
