安川G7系列变频器在门座起重机控制系统中的应用
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安川G7系列变频器在门座起重机控制系统中的应用
作者:栾新刚
来源:《科技创新与应用》2013年第15期
摘要:文章主要介绍安川的CIMR-G7系列变频器在门座起重机械起升机构自控系统中的应用。门座起重机控制系统使用PLC与安川CIMR-G7系列变频器系统紧密结合在一起,解决了因启、停冲击大造成门座起重机设备机构及金属结构的磨损、变形、开裂、出现过早损坏、降低使用功能等问题,达到增强控制系统的稳定性、减少故障率、降低维护成本、提高装卸效率、延长使用寿命的目的。
关键词:变频器;门座起重机;起升机构;PLC
1 引言
门座起重机是桥架通过两侧支腿支承在地面轨道或地基上的桥架型起重机。具有沿地面轨道运行,其下方可通过铁路车辆或其它机械设备。可360°旋转的起重装置装在门形座架上的一种臂架型起重机。门座起重机沿地面的轨道运行,进行起重装卸作业。起升结构是门座起重机最重要的传动机构,起升结构工作时要求轻载高速,重载低速,就位稳,并且正反转和起制动频繁,重复短时工作,采用变频调速系统控制完全可以实现以上性能。本文主要研究门座起重机起升机构采用安川CIMR-G7系列变频器的变频调速系统应用及优越性。
2 门座起重机起升工作原理
门座起重机的起升机构都是通过变频器驱动电动机,电动机经过减速箱传动,带动钢丝绳卷筒滚动,通过钢丝绳的升降对重物进行升降。门座起重机起升机构通常是由两套变频器、电动机、减速箱、钢丝绳卷筒机构来组成,当控制状态为吊钩状态,则两套起升机构功能相同且进行同步控制;当控制状态为抓斗状态,则一套机构为抓斗起升,一套机构为抓斗闭合。
3 门座起重机的起升机构变频器控制方案
3.1 门座起重机起升机构主要硬件设备
以MQ-2533门座起重机为例,主要硬件设备如下:
(1)变频专用电动机2台,型号为大连布鲁克YZP变频专用电机,200KW
(2)起升电机的冷却风机2台,型号为无锡双超G355A,功率0.5kW,AC380V
(3)起升制动器2个,型号
(4)起升变频器器2台,型号为安川CIMR-G7B4220,220KW,带配带PG-B2速度反馈卡进行闭环矢量控制
(5)速度反馈用编码器2个
(6)制动单元4个,其中安川CDBR-4220B两个,CDBR-4045B两个
(7)起升主令型号为德国Spohn+Burkhardt主令控制器,自带编码器
(8)PLC配置为日本YASKAWA(安川)公司的全系列专用港机PLC中CP-316H系列整体式可编程控制器
3.2 门座起重机控制流程
门座起重机通过司机室主令手柄对起升、变幅、旋转、行走机构进行控制。
调速的开环控制是通过主令控制器的编码器将速度的给定数字量信号传输给PLC,由PLC相应程序块传送给模拟量输入输出模块,经D/A数模转换将0~10V的模拟量输入变频器A1-AC端,变频器频率指令参数b1-01=1,从而控制变频器的输出逆变交流电的频率和电压,从而控制电动机的转速。调度的闭环控制是采用PG-B2速度反馈卡进行闭环控制,由电动机上安装的速度编码器检测电动机的实际转速,通过安川变频器的PG卡将速度信号反馈给变频器,与主令手柄的给定速度信号进行比较,保证速度的准确性。起升、下降停止采用液压驱动盘式制动器控制。
3.3 CIMR-G7变频器的技术特点
与一般的变频相比,安川CIMR-G7变频器最显著的特点是主回路可采用12脉冲整流与三电平逆变等先进的拓扑结构。
3.3.1 12脉冲整流
12脉冲整流主回路种采用交流独立输入和直流输出并联的两组整流桥,其输入端的电压幅值相同,但相位角相差30度,这样就可以在输出侧得到电压叠加的12非整流脉冲波形。这种整流方式虽然只是对整流电路进行了简单的改进,但其带来的优点是两组整流桥输入电流的5.7.17.19…次谐波正好可以相互抵消,再通过简单滤波就可消除电网中的12k±1(k为正整数)次谐波。消除高次谐波不仅可以降低变频器对输入变压器、断路器、电缆等电器的容量与耐压要求,而且还可以减轻变频器对电网的危害,在减少投资费用的同时改善了电网质量。12脉冲整流的另一优点是可以将整流侧输出直流电压波纹将为6脉冲整流的50%,从而降低变频器内部对平波器件的要求、简化了系统结构。
3.3.2 三电平逆变
三电平逆变的逆变原理是将原来每个桥臂上的单IGBT,用两只串联的IGBT(V1/V2与V3/V4)替代,然后利用二极管V5和V6的1/2电压钳位控制,使每个IGBT所承受的最大电压由原来的E降为E/2,从而实现了用中低压器件控制中高电压。三电平逆变时,电机每相输出将由原来普通逆变的两种状态(-E,+E)变为V3/V4导通(输出电压为-E/2)、V2/V3导通(输出电压为0)、V1/V2导通(输出电压为E/2)三种状态。
安川CIMR-G7变频器采用三电平逆变大幅降低IGBT的电压、缩小体积并提高可靠性,同时有降低电机侧电磁干扰与谐波及改善输出电流波形的作用。
4 变频控制系统的特点及优越性
采用安川G7变频调速和可编程控制技术控制门座式起重机各系统,不仅可以降低能源的消耗,提高工作效率,降低维修费用,减少劳动强度,而且可以明显提高门座式起重机的安全性、可靠性,满足恶劣工况和作业需要。主要表现在:
4.1 明显改善金属结构性能。变频调速使起升、变幅、旋转、行走各运行机构运行平稳,减轻了各个机构在起、制动和加、减速时对门机机械部分造成的冲击,延长了门机机械部分的寿命。
4.2 工作可靠性显著提高,主要有以下两个方面:
4.2.1 极大的延长各机构制动器的使用寿命,常规拖动系统是在运动的状态下进行抱闸的(热刹车),采用变频调速后,采用PG-B2速度反馈卡进行闭环控制,检测电动机的实际转速,实现了实际的“零速抱闸”,极大的延长了制动蹄片及制动盘的寿命。
4.2.2 极大的降低电器控制系统的故障率。常规拖动系统是由十分复杂的接触器-继电器系统进行控制的,由于工作时震动大、发热高、频繁通断造成的磨损,使其故障率较高。采用了变频调速控制系统后,用软件即可实现物理原件的作用,且变频器本省寿命长、故障率低,使控制系统可靠性大为提高。
4.3 节能效果显著
常规控制门座起重机的转子异步电动机是通过在转子回路串联大小不同的电阻实现不同运行速度的控制,无论低速还是高速运行,消耗电能都是一样多,而采用变频调速系统后,矢量控制中控制滑差频率使电机效率达到最高,不存在常规电器控制在低速运行时外接电阻消耗大量电能的情况,并且在起重机放下重物时,还可将重物释放的位能转化为电能反馈电网。