3000噸浮吊吊機變頻控制系統(tǒng)淺析

巢峰

摘要：3000噸浮吊吊機的變頻控制系統(tǒng)與常規(guī)的繼電接觸器控制系統(tǒng)相比機械特性硬，無級調(diào)速范圍寬、精度高，起、制動平穩(wěn)，維護簡便。本文是根據(jù)3000噸吊機上Rockwell Power Flex700S變頻器的使用和維護體會所作的總結(jié)。

關(guān)鍵詞：3000噸浮吊 起重機 變頻器

0 引 言

海工浮吊吊機由于在海上施工的特殊環(huán)境對調(diào)速性能有很高要求，傳統(tǒng)的起重機調(diào)速方法如繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級調(diào)速等由于繞線轉(zhuǎn)子異步電動機有集電環(huán)和電刷，它們要求定期維護，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)場維護量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高。 而3000噸浮吊吊機所采用的交流變頻控制系統(tǒng)不僅為交流異步電動機驅(qū)動的吊機實現(xiàn)了大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速，而且由于控制線路簡單，保護監(jiān)測功能完善，在運行可靠性和方便維護的角度上較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的提高。

1 3 000噸吊機變頻器

本吊機采用Rockwell PowerFlex700S交直交變頻器，先把工頻交流通過整流器變成直流，然后再把直流變換成頻率、電壓均可控制的交流，又稱間接式變頻器。如圖1所示，該變頻器由主回路（包括整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器）和控制回路組成。

電網(wǎng)側(cè)面的變流器是整流器，它的作用是把三相交流整流成直流。

負載側(cè)面的變流器為逆變器。有規(guī)律的控制逆變器中主開關(guān)的通與斷，可以得到任意頻率的三相交流輸出。

由于逆變器的負載為異步電動機，屬于感性負載無論電動機處于電動或發(fā)電制動狀態(tài)，其功率因數(shù)總不會為 1 。因此，在中間直流環(huán)節(jié)和電動機之間總會有無功功率的交換。這種無功能量要靠中間直流環(huán)節(jié)的儲能元件電容器或電抗器來緩沖。所以又常稱中間直流環(huán)節(jié)為中間直流儲能環(huán)節(jié)。

制動單元會把多余再生功率消耗掉，以免直流回路電壓的上升超過限值。

控制電路常由運算電路、檢測電路、控制信號的輸入、輸出電路和驅(qū)動電路等構(gòu)成，其主要任務是完成對逆變器的開關(guān)控制、對整流器的電壓控制以及完成各種保護功能等?？刂品椒梢圆捎媚M控制或數(shù)字控制。本吊機的變頻器用PLC控制，采用盡可能簡單的硬件電路，主要靠軟件來完成各種功能。

2 3000噸吊機優(yōu)越的性能

3000噸吊機具有大的啟動轉(zhuǎn)矩、超過150%的額定轉(zhuǎn)矩，若考慮超載實驗等因素，在起動加速過程中可提供200%的額定轉(zhuǎn)矩。起升機構(gòu)在將重物吊離或接觸地面瞬間負載變化劇烈，變頻器能對這種沖擊性負載進行平滑控制。運行平穩(wěn)，起、制動平緩，運行中加、減速時整機振動和沖擊小，安全性高，并且延長了起重機機械部分的壽命。

電機調(diào)速范圍寬，負載變化時轉(zhuǎn)速不會隨之變化，可實現(xiàn)海工作業(yè)時的精確控制定位要求，比如在有風浪的情況下將平臺精確定位安放到導管架上這樣的施工。而且變頻器實時監(jiān)測電機的運行速度，當電機速度大于設(shè)定的最高允許速度或速度偏差值時，變頻器發(fā)出故障報警并立即停止輸出，機械制動器動作，使起重機處于安全狀態(tài)，不會出現(xiàn)溜鉤等危險狀態(tài)。

由于采用編碼器進行閉環(huán)控制，可以做到零轉(zhuǎn)速滿轉(zhuǎn)矩輸出的懸停控制。因此電機和大絞車的剎車打開之前，不會產(chǎn)生過大的電流，停車時也可以到零速時再關(guān)閉電機和大絞車的剎車，避免對機械的沖擊。并且由于具有懸停功能，在頻繁起停時，可以不關(guān)閉機械剎車，提高了工作效率。所以3000噸吊機的變幅、主鉤、輔鉤、小鉤由電氣制動完成，機械制動器在電動及絞車停轉(zhuǎn)時動作，這樣的話使變頻器輸出轉(zhuǎn)矩與機械制動器的制動轉(zhuǎn)矩平滑切換，所以機械制動器的制動片壽命大為延長，維護保養(yǎng)費用下降。

當變頻器傳動的起升機構(gòu)向下運行或急減速時，異步電動機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，其能量要向電源側(cè)回饋。逆變器中的六個回饋二極管將傳動機構(gòu)的機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到中間直流回路，并引起儲能電容兩端電壓升高。Rockwell Power Flex 700S變頻系統(tǒng)在中間直流回路設(shè)置制動單元和電阻，讓連續(xù)再生能量通過電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，避免直流回路電容電壓升到保護極限值后變頻器過壓跳閘。

同時，吊機變頻器具有強大的驅(qū)動執(zhí)行軟件DriveExcutive，方便工作人員通過人機界面對系統(tǒng)進行現(xiàn)場監(jiān)控和功能修改。如圖2所示，我們可以通過修改30和31號參數(shù)來改變主鉤驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)的最高轉(zhuǎn)速、通過修改32和33號參數(shù)來改變主鉤驅(qū)動電機的加減速時間，這在海上施工中非常重要，比如在天氣惡劣的情況下需要精準對位，我們可以在允許的范圍內(nèi)通過修改這4個參數(shù)來提高電機的反應速度，但是這樣對系統(tǒng)的沖擊會比較大，而當海況較好或者不需要精準對位時，我們可以再將這4個參數(shù)恢復正常值以保護設(shè)備。如圖3所示，我們可以在輔鉤吊重時建立關(guān)鍵幾個參數(shù)的趨勢圖，觀察電機的轉(zhuǎn)速、電流、直流母排的電壓是否有異常，便于工程人員及時發(fā)現(xiàn)和解決問題。

圖 2 主鉤驅(qū)動電機主要參數(shù)

圖 3 輔鉤驅(qū)動電機吊重時主要參數(shù)趨勢圖

3 結(jié)論

3 000噸浮吊吊機的變頻調(diào)速系統(tǒng)由電位器作為輸入給定，通過變頻調(diào)頻調(diào)速電控設(shè)備、重量傳感器、限位開關(guān)、電磁閥等配合使用來控制起重機交流變頻異步電動機起、制動、可逆運轉(zhuǎn)與調(diào)節(jié)。采用交流變頻調(diào)速和可編程控制技術(shù)，提高運行效率，改善超負荷作業(yè)，消除起制動沖擊，減少電氣維護，降低電能消耗同時還具有過電流、過電壓、欠電壓和輸入缺相保護，以及變頻器超溫、超載、超速、制動單元過熱、I/O故障保護、電動機故障保護等功能，保證了吊機在海上施工時安全平穩(wěn)的運行。

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