港机电气1

日本YASKAWA:

估算没有摇摆时的电动机转矩 与实际电动机转矩作比较


通过数学模型计算与摇摆角度和载荷成正比的摇摆载荷信号，
采用相位超前/滞后补偿器进行摇摆的消除。
三、研究内容
1、桥式抓斗卸船机作业循环与抓斗运动轨迹
2、小车运动模型
绳长变化及速度变化 摩擦补偿
建立模型
小车加减速度
载荷变化
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旋转机构主回路原理图
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旋转机构控制回路
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旋转机构
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行走机构
• 门机的行走机构与支持机构共用一台逆变器， 且采用开环V/F控制模式。
• 门机的行走机构也具有短路、过电流、失压、 零位等多种电气保护措施。 • 行走机构的电缆驱动部分设有电缆终点限位， 门腿两侧顺轨道方向设有大车防撞限位和红外 防撞限位。另外8台行走电机制动器全部设有 连锁限位，当行走制动器发生故障时，机构立 即切断行走电源，停止大车行走。
3、闭环自动调节系统
§2- 5 特殊控制环节
二、交流电动机变频调速的恒功率调节
维持电动机定子电压为额定值，控制定子频率增 大 ，使其转速超过额定转速。此时功率将保持不 变，相当于直流电动机的弱磁调速。
§2- 5 特殊控制环节
负荷均衡和速度均衡控制
在双电动机独立控制，共同驱动同一机构的传动系统 中，如：抓斗提升机构，需要平衡两台电动机的负荷 和速度。
2
流制动器调速系统，在起重
机械电力传动中得到广泛应 用。无论位能性负载还是反 抗性负载均能得当满意效果。 MB M IB
涡轮制动器机械特性 电动机机械特性 n 合成特性机械特性
-M
0
M
优 点 缺 点 注 意 问 题
结构简单，无需维修，易于调节，可以与不同转 子电阻的电动机机械特性合成，以获得需要的机
械特性。并可实现闭环控制。控制装置功率小。
系统效率低，低速区不宜长期运行。仅在50%额
定转速以下有平滑的转速调节。
在额定转速下，最大励磁电流对应的涡流制动器
制动转矩足够。涡流制动器的接电持续率与操作
次数要在产品允许范围内。
§2- 4 典型电气传动控制系统
传动方案设计原则： 1、继电接触器控制系统 2、 PLC控制系统
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交流变频调速的优点
• 调速精度高。 在整个调速范围内连续控制， 开闭环特性好。 • 定位精度高。 调速平稳，负载变化有极好 的动态响应，可长时间低速运行。 • 节能效果显著。 简化了电控系统，省去了 电动机转子侧的大功率电阻、切换交流接 触器等原件。 • 成本相对低廉，维修少。
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门机电气控制原理概述
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• 起升机构的电气保护有短路及过电流保 护，过载保护，失压，缺相及零位保护， 大风保护等多种保护。 • 起升机构设有两级限位保护开关，碰撞 第一级限位后，机构自动减速，碰到第 二级限位后，机构停止运行。
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起升机构主回路原理图
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起升机构控制回路
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旋转机构
• 旋转机构采用双电机、双变频器驱动方式, 控制方式均 采用带PG矢量控制模式，保证两套驱动机构的动作协调， 机构闭环控制的速度反馈采用增量式脉冲编码器。 • 旋转制动采用脚踏液压制动器和变频器内部电气制动两 种方式，当旋转手柄回零后，变频器自动进行减速制动， 制动时间为6秒，脚踏液压制动器为汽车制动泵驱动机 械摩擦片方式，制动力矩完全由人工控制，为防止在旋 转制动器司机作业中误踩脚踏制动器或运行中紧急制动 造成变频器过流，在脚踏制动杆处设有电气联锁限位， 当脚踏制动杆踩下时，该联锁限位马上动作，程序会快 速切断旋转驱动回路，自动将旋转制动时间调整为3.5秒， 使机构快速切换到安全运行方式。
采用该方法的厂家： 德国SIEMENS、 瑞典ABB、 法国TE 日本KAWASAKY 精度高：闭环防摇设备使操作人员感觉不舒适
2、半自动模式
ABB
二级加减速
KAWASAKY
①摆角估算的工程方法
美国GE（AS2000）： 监视： 起升载荷、 起升位置、 小车的电流反馈、 摆动模型、 计算吊具摆角、 另外： 校正风载、 校正变化载荷。
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变频器调速在港机中的应用
• 起重机电器调速系统分两大类：直流调速 系统和交流调速系统。直流调速方案因直 流电动机结构复杂，制造成本高，维护不 便等因素，虽然在大型起重机上仍然使用， 但正逐步被交流调速方案所代替。 • 目前交流调速方案主要有：绕线式异步电 动机转子串电阻调速；能耗制动下降调速； 涡流制动器调速；定子调速，串级调速及 变频调速等。
减速阶段
加速阶段
Hale Waihona Puke 阶段III：小车稳定运行阶段
SD-目的位置距离其实吊摆中心位置距离 SDF-开始制动点 D 距目的位置距离
阶段IV、V:小车制动抛料
PLC在港口机械中的应用
• PLC发展到今天，已经形成了各种规模的系列 化产品，可以用于各种规模的工业控制场合， 除了逻辑处理能力外，大多数PLC具有数据运 算能力，处理速度非常快。多数在几分之一秒 内完成。目前用于港口起重机械的主要是用 PLC控制交流调速系统和直流调速系统，目前 已经用于船舶机械控制、连续运输机械控制等 等(本文重点介绍PLC在港口起重机械当中的应 用)，他们与常规继电接触器控制显著的重要 区别之一就是由原来的开环控制变成了闭环控 制，使得调速过程更加平稳，调速范围更广， 更加可靠。
机电传动控制在港口机械中的应用
1
教学目的：
• 了解港口常用起重运输机械典型的电气设 备的组成、特点、基本参数；掌握其电气 原理图，具有分析线路的基本能力； • 了解现代港口电气设备中运用的新技术、 新工艺； • 具有一定的线路设计能力。
2
门座起重机电控系统
• 门座式起重机是通过PLC对它的电气部分 进行变频控制的。
风力干扰
问题 多变量耦合非线性 通常很难有解析解 对模型进行简化 简化模型得出的控制方案对实际问题显现出不适应性
3、简化的受力模型
不计空气阻力。
设备使用变频器。
输入不再是外力F， 而是行车加速度a。
控制变量:行车的水平加速 a(t). 状态变量:抓斗摆角θ(t). 抓斗角速度 ω(t). 行车运行的水平距离s(t). 行车的水平速度 v(t). 控制目标:在s(t)等于目标距离Sd时，使a(t)、θ(t). dθ/dt.最小。
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变幅机构
• 门机的变幅机构一般由一台电机驱动，采 用变频控制或者涡流制动控制。
• 变幅机构设有三级限位保护开关，碰到第 一级限位后，机构自动进行减速，碰到第 二级限位后，机构停止运行，当第二级限 位失灵后，机构运行碰到第三级变幅极限 限位开关，机构停止运行，第三极限位动 作程序作为故障自锁。
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变幅机构主回路原理图
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变幅机构控制回路
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起升机构机电传动控制
• 起升机构的变频器采用带PG的矢量控制方 式。PLC实时读取变频器的参数，并通过输 入给PLC的主令控制信号控制变频器的频率 及发动机的转速。当变频器出现故障信号 时，必须通过联动台的故障复位按钮进行 复位 • 起升机构通过联动台上的转换开关进行起 升单机，开闭单机，抓斗，吊钩，机上行 走，机下行走六种运行方式的操作。
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PLC柜内部结构
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变频技术简介
• 变频技术简单的说就是把直流电逆变成不 同频率的交流电，或是把交流电变成直流 电再逆变成不同频率的交流电，这一切都 是电能不发生变化，而只有频率的变化。
• 门机的变频是先把交流电变成直流电再根 据PLC的控制把直流电变成不同频率的交流 电。
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变频器 CIMRG7A4220
3、选择电动机
4、计算电气设备参数
§2- 3 电气传动调速方案
一、交流绕线式异步电动机转子电路串电阻。 二、能耗制动器。 三、涡流制动器。 四、交流异步电动机定子调压调速。 五、变频调速。 六、直流G- M系统。 七、直流V- M系统。
涡流制动器
交流绕线式异步电动机 转子电路串电阻与同轴的涡 3
手柄 PLC远程输入 /输出模块 变频器
门机机构
电机转速
3
港口机械电力拖动的一般问题
1 工艺特点及负载特性 2 电力拖动系统电动机选择 3 电气传动调速方案 4 典型电气传动控制系统 5 特殊控制环节
联动台
§2- 1 工艺特点及负载特性
工艺特点：速度高，操作频繁，重复短时工作制。
负载特性：位能性负载，摩擦阻力矩，风阻力矩。
速度均衡环节：采用位置 状态控制(如开斗下降， 保持开度，如闭合，行程 差变化)。通过对支持和 开闭两台电动机相对行程 差的测量，提供速度均衡 控制信号。开闭两台电动 机相对行程差的测量由各 自的轴角编码器、脉冲发 生器、加法器、数模转换 器完成。 支持与开闭电机的速度是 由支持电动机主令控制器 操纵的，开闭电动机的主 令控制器只在抓斗开闭时 工作。
§2- 2 电力拖动系统电动机选择
选择的原则：
1、机械的生产工艺要求
2、使用环境
生产机械的机械特性
环境温度；大气条件；防护形式；安装方式
3、电动机种类的确定
交流传动；直流传动
§2- 3 电气传动调速方案
传动方案设计原则：
1、必须满足生产过程工艺要求
负载性质；转矩及其它要求。 2、调速要求 调速范围；平滑性；允许的最大负载；起、制 动及加速要求。
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• 旋转机构的电气保护有短路保护、过电流保护、 过载保 护、失压保护、 缺相保护及零位保护,当变频器出现故障 时, 必须通过左联动台上的故障复位按钮进行复位. • 旋转机构除在制动器设有脚踏制动器联锁限位和液压制 动器联锁限位外，还设有旋转锚定联锁限位保护。液压 制动器联锁限位和旋转锚定限位在联动台有明确信号指 示, 旋转锚定限位打开后，即锚定销插入锚定孔后，程序 切断旋转机构控制，禁止旋转运行。 • 操作手柄从零位推至所需档位或由一个方向推至另一个 方向PLC会控制变频器以设定的加、减速时间平稳加、减 速至所需速度。
• 从变电所传到每台门机的电压是6KV，50Hz 的容量是800KVA的交流电，经过 电缆卷筒 集电器后，经三角形/星型变压器，变成 400V的电压，频率是50Hz后经过滤波柜功 率表，电流表，电压表等，再经过电抗器， 整流回馈单元把交流电整成直流电，然后 经各机构逆变器把直流电整成所控制的的 （3—100Hz）的变化的电流，送到电机实 现速度控制。
系统状态方程
限制条件
4、典型运动分析
阶段I:小车起动阶段， 起动持续时间为t1 ，加速度为a1。
行车启动加速，到达A点的状态为：
约束条件：
阶段II：摆动控制阶段。 先减速再加速， 到C点抓斗相对小车不摆动，小车达到额定速度。 制动时间为t21， 制动减速度为a21， 再加速时间为t22， 此阶段总时间为t2 。
状态反馈
二、国内外控摆研究现状
1、自动模式 ①控制系统采用双闭环: 内环为摆角环，外环为位置环，均采用PID.
全状态反 馈控制器
测摆角
②神经网络自整定的PID控制器
③发展方向：不测摆角
测量：摆动加速度，利用模型，估算摆角。
④摆角动态测量方法现状
在小车架下安装发射装置(激光或红外发射器，或 摄像头)和接收装置，在吊具上架安装反射器。
双绳抓斗
1- 颚板；2-撑杆；3-上承梁；4下承梁；5-开闭绳；6-支持绳； 7、8-驱动卷筒
空抓斗张开下降
抓货
载货抓斗上升
卸货
三、负荷均衡和速度均衡控制
在抓斗提升机构中，两台独立的电动机分别驱动抓斗 的支持绳和开闭绳。 在闭斗稳定运行中，要求两台电动机的转矩相同，转 速也相同； 而在开斗稳定运行中，要求两台电动机的转速相同， 因空载，转矩不强求一致。
四、抓斗位置与防摇控制
一、摇摆产生及控制
小车的加减速
负载的升降动作
摇摆的产生
风引起的扰动 摩擦引起的扰动
1996--德国调查报告：摇摆定位时间占整台起 重机运行时间的10～20%。
机械控制
消耗摇摆能量 智能控制
被动控制 模糊控制 神经网络
摇摆控制
电子控制
最优控制 基于数学模 型的控制
增益调节 自适应控制
负荷均衡控制：受控电动 机为开闭电机；控制环节 为电流均衡控制单元N10； 两输入信号分别为支持绳 和开闭绳的电流反馈信号； 输出信号为开闭机构的转 速调节器的附加速度给定 信号。当两机构负荷不均 衡时，电流均衡控制单元 输出一附加速度给定信号， 使开闭电机的输出转矩增 大或减小，从而保持负荷 均衡。
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行走机构主回路原理图
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行走机构控制回路
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CH1 常用低压电器
第三节
制动器
电磁抱闸制动器、 一、制动 反接制动、 液压电磁铁制动器、 能耗制动、 就是给电动机一个与之转动方向相反的转矩使 电动液压推杆制动器 再生制动 它迅速停转（或限制其转速）。 制动的方法：机械制动、电气制动 二、电磁抱闸制动器 1、结构：制动电磁铁：、闸瓦制动器。