ACC600变频器在1100t门式起重机中的应用

1前言

交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的门式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，交流变频调速技术的应用是今后门式起重机交流调速技术发展的主流。

21100t变频调速门式起重机运行的特点

2.1使用环境

1100t变频调速门式起重机适用于大吨位构件组焊、设备安装以及港口码头、铁路货场、重工企业等的货场装卸作业，起升高度可达13m，最大起重量为1100t,它是我国目前起吊量最大的门式起重机。该产品的结构形式为双主梁门式、双小车，两台起重小车各吊重550t，即可同时起吊、横移，又可单台分别操作，其操作方式为PLC控制的全变频调速系统。

1100t变频调速门式起重机适用的场合均属露天环境，室外温度变化剧烈，有些场所存在多粉尘、有腐蚀气体等，使用环境恶劣。供电电源方面普遍存在变压器容量小，供电电缆截面小、线路长；在大型设备启动时，常造成瞬时欠电压。

2.2运行特征

a.门式起重机起动时应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑电源波动及超载实验要求等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩。

b.由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须研讨变频器启动信号与制动器动作信号的控制时序。

c.当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电机处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。

d.起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。

e.由于每台起重小车的主钩由两台电动机同步拖动，因此主钩的电气传动必须考虑两台电动机之间的力矩平衡分配。

3起升变频器的选用

能满足1100t门式起重机起升机构运行特点，即具有四象限运行、高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和机械制动器顺序控制等功能的高性能工程型变频器，主要有ABB公司的ACC600系列直接转矩控制型变频器；西门子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型变频器。鉴于直接转矩控制型变频器优越的技术性能，我们选用ACC600起重机专用变频器用于1100t门式起重机起升机构的电气传动。

3.1ACC600变频器的特性

ACC600变频器属于ACS600变频器的系列产品，它使用了与ACS600同样先进的电机控制方式和硬件解决方法，只是装备有特殊的起重机传动应用程序。它具有标准起重机系统的功能：转矩记忆、功率优化（轻负载升速）、限幅开关监控、机械制动器顺序控制、转矩验证、危险速度监视、主从控制等，特殊起重机应用程序结合直接转矩控制技术（DTC），保证了在较高要求的起重机电气传动应用中的精确控制。

直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等参量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；能方便地实现无速度传感器化。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。

ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列变频器，已达到

3.1.1主从控制

主从控制是一种负载分配应用，是为多电机传动应用而设计的。它用于电气传动系统中运行两个ACC600变频器并且电机轴通过齿轮、导轨、链条或轴等相互连接的应用场合。主从应用控制中，外部控制信号只与主机变频器连接，主机经由光纤通信控制从机变频器。主机通过主从总线将命令信号和给定值传送给从机，主机也从从机读取返回的状态信息，以确认从机变频器运行是否正常。主机传动是速度控制，从机变频器根据机械传动不同连接形式跟随主机的转矩或速度给定。一般情况下，当主传动和从传动的电机轴通过齿轮、导轨、轴等刚性连接时，从机传动使用转矩控制；当主传动和从传动的电机轴通过柔性连接时，从机传动使用速度控制。

3.1.2机械制动控制

在起升电机速度降到零速后，就应立即施加机械制动，以防止溜钩。当变频器接收到起动命令后，在收到转矩验证成功且没有停止命令时，经过设置的制动抱闸松开延时时间后，变频器输出机械制动开启信号，机械制动器松开，反馈的机械制动确认信号正常开启后，变频器升高输出频率至设定速度。当变频器接收到停止命令后，传动将通过电气制动停车直至零速，变频器撤去机械制动开启信号，机械制动器抱紧电机轴。反馈的机械制动确认信号正常关闭后，变频器的“RUN”命令在经过了设置的机械制动延迟时间后复位为“0”。如果发生机械制动故障，例如在起动或正常运行期间，反馈的机械制动确认信号不正常且时间超过了设置的机械制动故障延迟时间，变频器将停止输出并指示相应的故障信息。

3.1.3转矩验证

转矩验证是起重机电气传动控制中的一个功能模块，在松开机械制动器和开始提升传动之前，确认电机能够产生转矩，机械制动器没有打滑。如果转矩验证成功，则表示电机的输出转矩达到了正确的等级，允许机械制动器松开，开始起动程序。转矩验证在转矩控制模式下无效。

3.1.4功率优化

功率优化功能换句话说就是轻负载升速，它是采用弱磁升速实现在电机的额定速度（基速）以上调速，但这样会降低电机的输出转矩。为了确保电机在弱磁调速范围内始终能够产生足够的转矩控制负载，要计算出一个最大的允许速度，这种功能就叫功率优化。如果功率优化模块收到轻负载升速允许信号，就意味着允许加速到最大速度，计算出的最大速度给定用于积分单元的输入，电机将加速到相应的速度。在向着基速加速时，在速度达到90%基速时，功率优化模块将用以下公式计算出最大允许速度：最大允许速度=基速×TQLIM／TORQHOLD。公式中TQLIM为正向/反向运行时的最大转矩限制，TORQHOLD是由功率优化模块计算出的托住负载所需的转矩。功率优化贯穿于电机加速的过程中，用测量出的总转矩（负载转矩+加速转矩）来计算弱磁调速状态下不超过电机额定故障转矩的最大允许速度。

3.1.5转矩监视

转矩监视功能用于监测电机转矩，检查电机在加减速时是否能够跟随速度给定，在正常运行和加减速期间是否产生过度的速度偏差。如果速度偏差的绝对值超过设定值且时间长于设定时间，变频器将因为转矩故障而跳闸。

3.2起升变频器的容量计算与配置

下面就1100t门式起重机的起升机构变频器选用原则做以详细说明。

门式起重机起升机构所需的电动机轴输出功率：

式中：W为起升机构额定提升负荷的重量，kg；ν为起升机构的额定速度，m/min；

η为起升机构的机械效率。

变频器的容量必须大于负载所需求的输出，即：

式中：k为过载系数1.33；PM为负载要求的电动机轴输出功率，kW；η为电动机效率；cosφ为电动机的功率因数。

起升机构要求的起动转矩为1.3—1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6—2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60秒、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。

在变频器容量选定后，还应做电流验证，即：

ICN≥kIM

式中：k为电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05—1.1）；ICN为变频器额定输出电流，A；IM为工频电源时的电动机额定电流，A。

1100t变频调速门式起重机有两个独立驱动的起升机构，每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，变频器选用ACC600直接转矩控制型提升机专用变频器，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，每台电动机采用带脉冲编码器的闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用ACC600变频器提供的具有角同步控制功能的主从控制宏方案，这些控制方案可以实现2台电动机的精确同步控制和转矩平衡分配。

按照上述变频器选用、计算公式进行换算，双起升机构选用4台ACC601-0120-3提升机专用变频器，其技术参数：Shd=100KVA，Phd=75KW，I2hd=147A（4/5min负载周期重载应用）。变频器配用的4个脉冲编码器为NTAC-02，其技术参数：fmax=100KHz，Vcc=24VDC，1024ppr，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信号输出。如图1所示，每个起升机构2台驱动变频器之间提供同步控制功能的主从控制宏通过变频器主机与从机通道CH2之间的主/从通讯链接实现。起重机的各种操作信号只送给主机变频器，从机变频器经由主从光纤通讯链路受控于主机变频器，在本例中主传动是典型的速度控制，从机变频器跟随主机的速度给定。用于速度闭环控制的脉冲编码器模块NTAC-02连接于相对应变频器的通道CH1，且必须设置下列参数：①50.04ENCODERCHANNEL：CHANNEL1；②70.03CH1BAUDRATE：4Mbit/S。