臺達VE系列變頻器在橋式起重機上的應用

 
        橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，俗稱天車，廣泛地應用在室內外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。普通橋式起重機一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。起重小車又由起升機構、小車運行機構和小車架三部分組成，參見圖1。

        起重機電動運行機構的驅動方式可分為兩大類：一類為集中驅動，即用一臺電動機帶動長傳動軸驅動兩邊的主動車輪；另一類為獨立驅動，即兩邊的主動車輪各用一臺電動機驅動。中小型橋式起重機較多采用制動器、減速器和電動機組合成一體的“三合一”驅動方式，大起重量的普通橋式起重機為便于安裝和調整，驅動裝置常采用萬向聯軸器。

        電動運行機構由三個基本獨立的拖動系統組成。①大車拖動系統：拖動整臺起重機順著車間做“橫向”運動（以操作者的坐向為準）。②小車拖動系統：拖動吊鉤及重物順著橋架做“縱向”運動。③吊鉤拖動系統：拖動重物作吊起或放下的上下運動。

        相對于提升機構控制，橋式起重機在大車拖動以及小車拖動方面對于
        變頻器的控制要求比較低，所以本文重點介紹臺達VE系列變頻器在提升機構控制上的應用。提升機構的運轉具有大慣性，四象限運行的特點，與其他傳動機械相比，對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求。臺達VE系列變頻器是專為起重機類負載而設計的變頻器，具有如下特點：①具有全程矢量控制。在1HZ的低頻下，即使無速度反饋環節，也能提供150%額定轉矩的啟動力矩。②四象限運行。可配置制動單元，實現四象限運行，而且動態響應好。③恒轉矩特性。在全速范圍內，具有恒轉矩特性。

圖1 橋式起重機結構

 VE變頻器在提升機構上的應用設計
        為了確保設計條件，項目對于臺達VE系列變頻器起重機工程適用性進行實際測試。測試地點為株洲某專業生產起重設備的工廠。測試配置：電機型號為YZR200L-8（繞線電機），功率15Kw，額定數入電壓380V，額定輸入電流34.6A，電機極數8極，額定頻率為50HZ，額定轉速為712rpm，無編碼器。抱閘采取電磁閥方式，使用3相380V電源控制。考慮到以后超負荷運行的可能，以及長期運行的穩定性，選用臺達VFD220V43A-2變頻器做測試。

1. 主電路設計
        由于臺達變頻器功率大于11KW型號等級無內置剎車單元，所以選配外置推薦剎車單元VFDB4030一臺。剎車電阻說明書上標配型號為4800W/27.2歐姆，考慮到剎車性能以及天氣炎熱時電阻的散熱性能，剎車電阻規格的選擇原則有兩個方面的依據：等效電阻值保持在推薦最小電阻值，功率選擇為推薦功率的2倍左右。由于手頭上有BR1K5W040(1500W/40歐姆)規格現貨，所以選擇12根BR1K5W040規格的電阻，通過串并聯連接，其等效電阻為30歐姆，等效功率為18KW。實際連接示意圖如圖2所示。VE系列變頻器電氣接線圖參見圖3。

圖2外置剎車單元VFDB4030電原理圖

圖3 VE系列變頻器電氣接線

2. 變頻器SVC控制方式
        無速度傳感器矢量控制（也稱為SVC控制方式，sensorless VC）可以獲得接近閉環控制的性能，同時省去了速度傳感器，具有較低的維護成本。與傳統V/Hz控制比較，無速度傳感器矢量控制可以獲得改進的低速運行特性，變負載下的速度調節能力亦得到改善，同時還可獲得高的起動轉矩，這在高摩擦與慣性負載的起動中有明顯的優勢。正是由于這些驅動特性，該控制技術已逐漸成為通用恒轉矩驅動應用的選擇。

        臺達VE系列變頻器提供SVC控制方式，能夠很好的滿足起重設備上啟動時需要滿負載（甚至是過負載，通常運行時間很短）運行。SVC控制方式從基本原理上講能夠獲得優異的動靜態特性，但是前提是獲得準確地電機參數。VE變頻器涉及到電機的相關參數參見表1。

表1 VE變頻器電機相關參數

3.  報閘時序控制
        在起重設備的應用上，一般都會存在機械抱閘機構，這主要是考慮到安全方面的因素。提升機構在機械抱閘機構抱住之前和松開之后的瞬間，極易發生重物由停止狀態下滑的現象（稱為溜鉤），防止溜鉤是橋式起重機控制系統設計中的安全控制環節。當吊鉤起吊重物停止在半空中時，如果要作上升或者下降動作，變頻器的運行和對機械抱閘機構的控制，這兩者之間的配合就顯得非常重要；配合不好，有可能出現變頻器報警（過載或者過流），也有可能出現重物溜鉤的現象。針對這種現象，臺達VE變頻器專門開發參數來方便調整。使用臺達VE變頻器多功能輸出指令第42號功能就能夠很好的解決這個問題，具體時序圖如圖4所示。

圖4 報閘控制時序

        多功能輸出指令42主要用來控制機械抱閘機構的動作，其條件為：實際輸出頻率，實際輸出電流，延遲時間。如果當實際輸出頻率大于02-33設置值，并且當實際輸出電流大于2-32設置值，變頻器開始計時，時間超過2-31設置延遲時間，多功能輸出指令42就動作，打開機械抱閘機構；反之，如果實際輸出頻率小于02-33設置值，或者實際輸出電流小于2-32設置值，多功能輸出指令42就不動作，機械抱閘機構關閉。這樣做能夠有效檢測主吊電機是否勵磁完成，保證起吊貨物的安全性。

        除了使用到多功能輸出指令42，如果配合齒隙功能（7-15齒隙加速中斷時間/7-16齒隙加速中斷頻率/7-17齒隙減速中斷時間/7-18齒隙減速中斷頻率），就能夠有效消除機械抱閘松開時的抖動現象，使啟動/停止的速度更加平滑。

4. 變頻器參數設計

注意：對于05-05無載電流，可以通過幾種方式獲得：1。通過變頻器動態測試電機參數計算出來（電機必須拖開負載運行），但是由于此臺起重設備無法進行動態測試，這種方式不能采用；2。在電機銘牌上獲得；3。在VF模式下空載運行，察看變頻器輸出電流；4。查詢手冊。

5. 負載運行
        使用以上參數，進行負載運行。0-50HZ帶6噸載運行時母線電壓的狀態：
      （1）不運行狀態。500VDC；上升啟動時電壓480VDC；下降過程中最大電壓730VDC；
      （2）帶8噸載運行時輸出電流的狀態。上升啟動時最大電流70A 下降過程中最大電流56A 穩定運行時電流29A。

         帶載情況下啟動電流保持在3倍額定電流范圍（VE變頻器過載電流范圍為額定3倍）以內，能夠提供足夠啟動轉矩；帶載下降過程中最大母線電壓維持在730VDC設定值，保證了變頻器不出現OU報警；2-11=42功能判斷條件采取頻率和電流綜合判斷，保證在帶載情況下不出現溜鉤現象。經過測試能夠滿足項目起重設備長期安全穩定運行的要求。