橋式抓斗起重機(jī)變頻拖動方案

一、對象和目的：
對象：式抓斗起重裝置(簡稱：橋抓)的電力拖動系統(tǒng)。包括“開閉”、“提升”、“大車”、“小車”的拖動及控制。
目的：利用變頻調(diào)速、無速度反饋矢量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動裝置的頻繁啟/停、變速及正/反轉(zhuǎn)換，解決原串阻變速的高能耗、低力矩以及電沖擊對電機(jī)、鋼繩、剎車裝置的沖擊，達(dá)到高效、節(jié)能、故障率低的目的。
二、“橋抓”負(fù)荷特性及原拖動系統(tǒng)的分析
1、橋抓運(yùn)行由三個基本獨(dú)立的拖動系統(tǒng)構(gòu)成：
○1、吊鉤拖動系統(tǒng)(垂直)開閉和卷揚(yáng)；
○2、大車拖動系統(tǒng)(橫向)；
○3、小車拖動系統(tǒng)(縱向)。
2、負(fù)荷特點(diǎn)和對拖動系統(tǒng)的要求。
○1、負(fù)荷特點(diǎn)：
各拖動系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與阻力FL和回轉(zhuǎn)半徑RL的關(guān)系：TL=FLRL大車和小車拖動系統(tǒng)中FL是摩擦力吊鉤拖動系統(tǒng)中FL是被吊物和吊斗本身的重量和由此可見TL與速度無關(guān)，是恒轉(zhuǎn)矩特性。
○2、對拖動系統(tǒng)要求必須滿足橋式抓斗的技術(shù)要求大、小車拖動系統(tǒng)較一般；重點(diǎn)是對吊鉤拖動系統(tǒng)的要求。在一個（抓、提、放、降）全過程中，電動機(jī)的有效轉(zhuǎn)矩線應(yīng)是恒轉(zhuǎn)矩的，應(yīng)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩；重物下降時，為了克服重物自身加速度而不斷加速，電動機(jī)必須產(chǎn)生足夠的制動轉(zhuǎn)矩，使重物在所需轉(zhuǎn)速下平穩(wěn)下降。重物在空中停住前后，不能發(fā)生“溜鉤”。
3、制動裝置與啟停時間的時序配合必須精確、可調(diào)：
如圖：升速和降停。
4、原拖動系統(tǒng)的主電路(見圖)
○1、選用電機(jī)：繞線式異步電動機(jī)；
○2、調(diào)速方法：串阻；
○3、制動方法：電磁或液壓。
○4、存在問題：
A、繞線式電機(jī)，串阻調(diào)速，體積龐大：接觸器、控制箱、電阻箱能耗大；故障環(huán)節(jié)多：滑環(huán)、碳刷、接觸器。串阻調(diào)速在每一速度段力矩變化大。
B、機(jī)械制動無過渡加/減速，電機(jī)沖擊大。鋼絲繩制動受力大，易斷。剎車沖擊大，易損壞。
C、主令操作器流過電流大，易損壞。
D、由于橋抓運(yùn)行每一周期接觸器、滑環(huán)、碳刷、機(jī)械制動；抓煤、提升、開斗、下降，都要運(yùn)作一次。負(fù)荷、力矩、工況都要頻繁變化，因此對所有元器件可靠性及壽命要求很高，一般難于避免各種故障。
三、變頻調(diào)速拖動系統(tǒng)
1、優(yōu)點(diǎn)
①、可以實(shí)現(xiàn)軟啟和無級調(diào)速；
②、省去接觸器、電阻箱、滑環(huán)、碳刷等節(jié)省體積重量；
③、直接將損耗在電阻箱上的電能返回到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，節(jié)電率可達(dá)到30%以上；
④、可解決原拖動系統(tǒng)的一些問題。
2、需要解決的問題
由于是半導(dǎo)體出力，其經(jīng)受過載能力比電機(jī)直接拖動
差，因此必須解決和處理如下技術(shù)問題。
①、 起動力矩(提升)特別是懸空起動的力矩；
②、 再生能量釋放對變頻器的威脅；
③、 解決變頻器啟/停時間與剎車動作時間的時序關(guān)系，確保安全前提下，實(shí)現(xiàn)軟啟/停，最大限度地減少啟動電流。
④、 在變頻器額定電流范圍內(nèi)，盡量縮短加/減速時間，使“橋抓”的工作效率不受影響。
3、過去變頻拖動，由于上述技術(shù)問題，需要設(shè)計外圍線
路來配合。如圖：升速和降停。
①、變頻器本身起動力矩不夠，要求與制動配合較為嚴(yán)格，給設(shè)計、調(diào)試、維護(hù)造成麻煩，而且隨著運(yùn)行時間，環(huán)境好壞而變化等等。
②、起動升速時間不能很快，效率低。
③、可靠性差
總之，過去由于變頻器技術(shù)及經(jīng)濟(jì)方面原因的限制，不可能有得以在橋抓上的廣泛應(yīng)用。
四、橋抓變頻拖動控制裝置
1、系統(tǒng)方案（見方框圖）
參照方框圖，系統(tǒng)由下列單元組成
變頻器（INV）
能量回饋制動單元（IPC-PF）
控制單元（PLC）
操作臺（OPE）：（主令操作器及電源箱）
電動機(jī)（D）
其相互連接見方框圖
2、選型
根據(jù)上述系統(tǒng)方案對各單元進(jìn)行設(shè)計選型是非常重要的。
①、變頻器
本拖動控制系統(tǒng)的出力及主要功能均通過變頻器給出，因此對它有特別高的要求。
本裝置選用的變頻器，除了一般的功能外，其具備：
A、高起動力矩，0+Hz頻率下 150%額定力矩
0.5Hz頻率下 200%額定力矩
這一功能可以滿足橋抓經(jīng)常懸空提升，懸空下降的操作要求，以確保低速啟動過程中不會“遛鉤”。
B、無傳感矢量控制及電機(jī)參數(shù)在線自整定功能：
這一功能確保了在額定電流范圍內(nèi)的快速啟/停的可能。抓斗變頻器其上升加速時間（0 50Hz）≥1.0秒、減速時間（50 0Hz）≥0.9秒；大、小車變頻器：其加速時間（0 50Hz）≥2.5秒、減速時間（50 0Hz）≥2.0秒。電動機(jī)運(yùn)行過程中，由于發(fā)熱R、L等參數(shù)發(fā)生變化，影響矢量控制，變頻器會自動在線整定，當(dāng)電機(jī)溫度發(fā)生變化時，自動調(diào)整變頻器參數(shù)，適應(yīng)電機(jī)因溫升而發(fā)生變化，確保任何溫度下，維持力矩的恒定。
C、具有內(nèi)置專門用于升降時序功能PLC，通過對它的參數(shù)設(shè)定處理,變頻器啟動加速與剎車動作；停止減速與剎車動作的合理時序配合，使抓斗升/降既平滑無沖擊又安全可靠(不溜鉤，不過載跳閘)
②、能量回饋制動單元
橋抓運(yùn)行X-Y-Z三維均存在停機(jī)時再生能量的處理問題，特別是升降的電機(jī)在下降時處于強(qiáng)發(fā)電狀態(tài)，這部分能量很大，返回變頻器。將造成變頻器過電壓跳閘，甚至損壞。因此選擇能量回饋制動單元直接將下降時產(chǎn)生的勢能轉(zhuǎn)化為電能返回到電網(wǎng)是非常重要的。
本裝置選用原裝進(jìn)口IPC-PF能量回饋制動單元其優(yōu)點(diǎn)如下：
雙向自動電壓跟蹤方式
反應(yīng)時間2ms以下，多重噪聲過濾算法 制動力矩最大150%
回饋方式為正弦波電流方式
電流畸變5%以下
內(nèi)置電抗器和噪聲濾波
五、橋抓拖動及控制裝置主要配置
1、主柜(開閉和提升)
※ 變頻器 (內(nèi)置抱閘時序PLC) 2臺
分別拖動開閉和提升電動機(jī)
※ 能量回饋單元 IPC-PF 2臺
提升變頻器 配1臺
開閉變頻器 配1臺
※ 控制單元（包含外配PLC）
(操作臺的運(yùn)行指令通過控制單元與變頻器連接；
變頻器對外動作也需要通過控制單元)
所采用的PLC元、器件、零部件均為OMRON、LG、
SIMENS原廠產(chǎn)品。安全可靠。
※ 柜體：1400×1600×420 （長×高×寬）
防護(hù)等級IP44
2、副柜(大、小車)
※ 變頻器 (內(nèi)置抱閘時序PLC) 1臺
拖動2臺大車電機(jī)
※能量回饋制動單元 IPC-PF 1臺
※ 變頻器 (內(nèi)置PLC及能耗制動單元)
拖動小車電機(jī) 1臺
放電電阻 1組
※ 控制單元 (同主柜)
※ 柜體1000×1600×420（長×高×寬）
防護(hù)等級IP44
六、其它配套
1、開閉、提升、大、小車電機(jī)，均為起重專用電機(jī)。
2、主電源柜，設(shè)置門控及安全防撞行程開關(guān)。
3、主令操作器，按設(shè)計要求配置。
均為正/負(fù)三檔及零檔設(shè)置。
4、所有制動電機(jī)與拖動電機(jī)分別控制(見主接線圖)。
5、限位開關(guān)接至本裝置(見外部接線圖)。
6、大、小車限位開關(guān)、可設(shè)雙道卡，第1卡強(qiáng)制減速，
第2卡立即全力制動停車，（由變頻柜實(shí)現(xiàn)）