港口岸橋用直流電機非獨立控制勵磁調速系統(tǒng)設計

王毅，朱德平，步長存

（1.山東科技大學，山東 青島 266590；2.青島港前灣集裝箱碼頭有限責任公司，山東 青島 266500；3.山東東山新驛煤礦有限公司，山東 濟寧 272000）

0 引言

岸邊橋式起重機（簡稱岸橋）是港口岸邊從事集裝箱裝卸生產(chǎn)的重要設備，它主要由門架、橋架（俯仰）和起重小車組成[1-2]，其中俯仰和小車能否正常高效運行直接決定了生產(chǎn)效率。上海振華重工集團有限公司制造的J15型集裝箱岸橋，機械自重800 t，額定起重量為40.5 t，起升高度32 m，其俯仰和小車的電控系統(tǒng)均采用GE SERIESSIX PLC控制和DC-300驅動，隨著控制器件的更新?lián)Q代該電氣控制系統(tǒng)已停產(chǎn)，在用電控系統(tǒng)面臨著元件老化，故障率高，無法購買備件等問題。如果不進行升級改造，整臺岸橋將被棄之不用，造成企業(yè)的成本和資源浪費。

從改造工期，備件管理及現(xiàn)場技術等方面考慮[3]，選用西門子6RA70型驅動器替換DC300完成對小車與俯仰電機的“一拖二”交替驅動設計，采用GE9030型控制器替代SERIESSIX PLC，如圖1所示為小車與俯仰機構的電氣控制系統(tǒng)原理，GE9030控制器IC693 CPU350與CPU374之間為Genius通訊方式，主控制器CPU374與西門子6RA70之間采用Profibus通訊方式。

圖1 小車與俯仰機構電氣控制系統(tǒng)原理圖Fig.1 Electrical control system principle of the Trolley and Boom

1 驅動器選型

1.1 6RA70驅動器選型

本文驅動器所驅動的小車和俯仰的電機均為ZZJ-814型，其銘牌數(shù)據(jù)：輸入電壓480 V，功率112 kW，電樞額定電流280 A，電樞額定電壓440 VDC，轉速500 r/min；勵磁方式為他勵，勵磁電壓 220 VDC，勵磁電流 9.2 A，轉動慣量 0.75 kg·m2，最大過載系數(shù)2。

6RA70驅動器選型主要考慮3個因素：負載的額定電源電壓、額定電樞電流和運行方式。由于小車和俯仰運行方式為四相限運行，同時考慮到起重機電源電壓波動較大，有時能超過10%，因此驅動器的電壓等級選擇500 V級，初步選型為6RA70XX-6GV62-Z，驅動器容量XX由驅動器的額定電流決定，其額定參數(shù)如表1所示。

表1 6RA70額定參數(shù)表Table 1 Nominal parameter of 6RA70

驅動器容量（電流）選型依據(jù)：1） 驅動器額定電流應大于電機電樞額定電流；2）驅動器最大過載電流應大于電機最大過載電流。

6RA70最大過載系數(shù)為1.8，電機最大過載系數(shù)為2，計算驅動器電樞電流為

驅動器容量選擇XX=81或85，考慮驅動電機線圈老化造成電機絕緣等級下降，以及岸橋頻繁啟動、制動、過載的工作特點，驅動器容量選擇XX=85。

Z表示驅動器待選件，6RA70與9030實現(xiàn)PROFIBUS通訊，須在6RA70上安裝通訊板CBP2（選件G95），安裝通訊板CBP2須安裝總線適配器（選件K11）和適配板（選件K01）。

綜上所述，該驅動器選型為：

1.2 6RA70驅動器型號校驗

1） 6RA7085-6GV62 特性

6RA7085-6GV62驅動器負載連續(xù)工作電流為600 A，額定過載系數(shù)X=1.2，其特性計算為

峰值電流：Ipeak驅動=1.2×600=720 A

帶載能力：Iload驅動=0.8×600=480 A

2） 小車/俯仰電機特性

根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)計算電機特性為

3）6RA70調速器校核標準

①I額定＜Iload驅動，即280＜480

②Ipeak電機＜Ipeak驅動，即559.34＜720綜上，6RA7085-6GV62的選型成立。

1.3 GE9030控制器選型

根據(jù)小車與俯仰電氣控制系統(tǒng)的控制功能、控制點數(shù)、信號類型，本文選用GE9030系列IC693CPU374控制器，配用電源IC693PWR321，數(shù)字量輸入模塊IC693MDL240（10塊），數(shù)字量輸出模塊IC693MDL940（8塊），模擬量輸入輸出模塊IC693ALG442（1塊）。

2 非獨立控制勵磁調速系統(tǒng)設計

2.1 調速指標

控制系統(tǒng)的調速指標要求如表2所示。

將小車與俯仰的運行速度轉化為電機轉速為：小車電機的控制轉速490.4 r/min，俯仰電機的控制轉速500.3 r/min。

表2 調速指標Table 2 Index of speed control

2.2 直流電動機調速原理

他勵直流電動機轉速公式[3]為：

由公式（1） 可知，他勵直流電動機可以通過調節(jié)電樞電壓Ud的方式實現(xiàn)調速目的。

2.3 非獨立控制勵磁的調壓調速系統(tǒng)設計

由于小車、俯仰沒有測速裝置，根據(jù)直流電機感應電動勢計算公式：

如果磁場強度φ恒定，則轉速與E成正比，可以采用E的反饋信號代替轉速n，由于感應電動勢E檢測困難，根據(jù)公式（3）只需采集Ua和Ia信號即可獲得實際感應電動勢的大小。

為確保電機調速的動態(tài)與穩(wěn)態(tài)性能指標，電樞回路采用轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，勵磁回路采用電動勢環(huán)和磁通環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，實現(xiàn)恒定的磁通，圖2所示為非獨立控制勵磁的調壓調速系統(tǒng)[4]的原理圖。通過非獨立控制勵磁的調壓調速系統(tǒng)設計，能夠使小車俯仰電機在基速以下保持額定勵磁不變，依靠轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)調節(jié)電樞電壓來控制轉速，實現(xiàn)了滿磁下的調壓調速。

圖2 非獨立控制勵磁的調壓調速系統(tǒng)原理圖Fig.2 Pressure and velocity control system principle ofnon-independent excitation

2.3.1 電樞控制回路設計

6RA70驅動器電樞控制回路功能設計見圖3。

圖3 電樞控制功能圖Fig.3 Armaturecontrol function diagram

速度給定：速度給定是通過PLC將手柄編碼器的值轉換為一個整數(shù)，并通過Profibus通訊將該值（K3002）傳遞給6RA70的參數(shù)P644。同時把控制字 1的 11位（B3111）和 12位（B3112）賦值給P671和P672，實現(xiàn)對電機速度給定的正負選擇。

斜坡函數(shù)發(fā)生器：將給定值變?yōu)橐粋€隨時間連續(xù)變化的電壓信號，參數(shù)P303和P304決定了系統(tǒng)的加減速時間，根據(jù)小車加減速時間設定P303.1=5 s，P304.1=4 s；根據(jù)俯仰加減速時間設定 P303.2=7 s；P304.2=7 s。

電流調節(jié)器：ACR采用PI調節(jié)器，其中P值決定對輸入響應的快速性，I值影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。小車電流調節(jié)器的PI參數(shù)由P155.1=0.21，P156.1=0.032確定；俯仰電流調節(jié)器參數(shù)由P155.2=0.22，P156.2=0.035確定。

電流限幅值：ACR的輸出限幅值決定了整流器輸出電壓的最大值，參數(shù)設定的主要依據(jù)實際負載的過載倍數(shù)。設定小車電流限幅值P171.1=150%，P172.1=-150%；俯仰電流限幅值為P171.2=180%，P172.2=-180%。

速度調節(jié)器：ASR采用PI調節(jié)器，使實際速度跟隨速度給定變化，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)轉速無靜差。參數(shù)設定依據(jù)是電機轉速無波動。本系統(tǒng)中P、I參數(shù)為自整定參數(shù)。實際速度反饋采用的是反電動勢反饋，設定P83=3。

速度限幅值：ASR的輸出限幅值決定了ACR的給定最大值，該值的大小直接影響到系統(tǒng)動態(tài)過程中的超調量，本系統(tǒng)設定P512=120%，P513=-120%。

2.3.2 磁場閉環(huán)設計

磁場電流的閉環(huán)控制主要目的就是保持磁通恒定。通過圖2知將電動勢給定信號定義為EdN，將AER輸出限幅值設定為額定勵磁電流，同時限定EMF最大反饋值Emax=96%EdN。在基速以下調速時Edf始終小于使AER一直處在飽和狀態(tài)，其輸出電壓總保持在限幅值上，使AFR的給定值始終為額定勵磁電流，通過AFR的調節(jié)其輸出始終保持為額定的勵磁電流不變。通過AFR調節(jié)器自動優(yōu)化獲得調節(jié)參數(shù)和相應的磁化曲線。

2.4 制動器抱閘功能實現(xiàn)

小車電機與俯仰電機的選擇抱閘方式均為工作抱閘，其工作原理及控制方式相同，下面以小車電機制動器抱閘為例進行設計。設P80=2，其控制時序如圖4所示。

圖4 抱閘控制時序圖Fig.4 Brakecontrol sequence diagram

由時序圖知，當37、38號端子置1后，使能調節(jié)器和觸發(fā)脈沖，電機轉矩建立，延時P87后，抱閘打開；當37、38號端子置0時，抱閘閉合，延時P88后，調節(jié)器封鎖，轉矩消失。

系統(tǒng)中令37、38號端子采集電機主接觸檢測信號作為T/B運行和使能信號。設P87=-0.3 s，表示抱閘打開前建立起力矩。設P88=1 s，表示抱閘閉合后1 s轉矩消失。抱閘輸出端子為48、54號端子，對應P772參數(shù)，設定P772=B255，B255為抱閘釋放的控制變量。

2.5 調速器故障停機功能實現(xiàn)

當6RA70檢測到故障后，其狀態(tài)字K32的位3置1，對應的開關量連接器B106=1。設定46、47號輸出端子參數(shù)P771=106，則9030PLC通過中繼器采集46、47號端子狀態(tài)來控制小車、俯仰機構的故障停機。

2.6 小車和俯仰控制切換功能

設定6RA70的P676為B3300，可由控制字2的首位控制小車與俯仰的控制參數(shù)組切換。

3 小車、俯仰實際運行波形分析

3.1 小車機構的典型波形圖分析

所設計小車的非獨立控制勵磁的雙閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)實際運行，通過Drivemonitor軟件監(jiān)測小車運行狀態(tài)，選取小車速度給定，實際轉速、電樞電流、磁場電流，EMF等作為監(jiān)測變量，如圖5所示為小車帶載40%向后運行的監(jiān)控波形。

圖5 小車后向運行波形Fig.5 The backward operating waveform of Trolley

分析小車的運行性能如下：

1）系統(tǒng)動態(tài)性能。如圖5所示的小車速度波形，分析其加速和減速過程，轉速超調量≤2%，加速時間約5.3 s，減速時間約為4 s，均符合調速指標要求。小車加速階段和減速階段的電樞電流較大，但均未超過最大限流值。

2）系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。如圖5所示轉速波形，小車向前和向后運行穩(wěn)定后，實際轉速與給定轉速波形曲線基本重合，且無波動，穩(wěn)態(tài)轉速無靜差。

如圖5電樞電流波形，小車穩(wěn)定運行后，電流波形比較光滑，無劇烈的振蕩和尖峰，但波形有波動。分析其原因為，系統(tǒng)穩(wěn)定時電機電磁轉矩與負載轉矩關系方程式為

在磁通φ保持不變的情況下，電樞電流與負載大小成正比，由于小車運行過程中負載不斷變化，所以電樞電流波形有波動。

如圖5所示勵磁電流波形，磁場電流在運行過程中基本保持不變，符合本系統(tǒng)EMF閉環(huán)設計磁通保持不變的特征。

3.2 俯仰機構運行的典型波形圖分析

將運行機構切換到俯仰雙閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)運行，采集俯仰向上波形如圖6所示。俯仰運行波形分析方法同小車相似，不同的是俯仰機構為勢能性負載，其轉矩計算公式為

其中：G為大梁重力；L為大梁長度；α為大梁與水平面的夾角范圍為0°~80°。由公式（6） 可知：在俯仰上升過程中TL隨著α增大而減小，對應Ia逐漸減小。因此，如圖6所示俯仰電樞電流表現(xiàn)為電流波形不斷下滑。

圖6 俯仰上升波形Fig.6 Theup waveform of Boom

綜上分析，小車/俯仰驅動器的控制方法和參數(shù)設置完全符合實際運行要求。

4 結語

新系統(tǒng)自2012年5月在某港口7號岸橋投入使用至今，各機構一直運行良好，故障率低，效率高，維修方便，降低了工人勞動強度，避免了因備件導致的長時間故障停機和資源浪費。

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