變頻器主/從控制技術在橋式起重機上的應用探討

李 力

（北京起重運輸機械設計研究院，北京 100007）

0 引言

近年來，隨著變頻技術的快速發展，變頻器由于其調速性能穩定，節能環保，性價比高等多方面的特性，在起重行業得到了廣泛的應用。由我院設計制造的垃圾吊，秸稈吊等各種型式的雙梁橋式起重機的提升機構，大小車運行機構中目前均采用變頻方式進行調速控制。按照傳統的設計思路，在雙梁橋式起重機的大車運行機構中，分別安裝在兩側端梁位置的兩臺大車運行電機由一臺變頻器進行同步驅動。這種大車機構驅動方式目前從實際使用情況來看基本正常，但在某些特定的工況下，這種驅動方式是否能使設備平穩運行有待商榷。本文從設備功能優化的角度出發，試將變頻器的主/從控制模式應用在雙梁橋式起重機的大車運行機構中，希望與各位同行，專家交流探討，以期改進設備性能。

1 現存的問題

在目前的橋式起重機的大車運行機構中，大多數的控制方案都是采用“一拖二”的方式，即用一臺功率不小于兩臺電機功率總和的變頻器同時驅動兩臺行走電機，由變頻器產生的理論上相同頻率和相同幅值的電壓作用在各電動機上，這時就可以把變頻器的輸出側理解成共用的供電母線。在這些受控電動機的性能參數基本一致時，它們最終表現出來的機械特性也是較為一致的，機械特性包括了理想的空載轉速及斜率等各種電機特性。當所承受的負載也基本相當時，實際電機的運行轉速也基本相同。這種驅動控制方式，簡單實用。由于變頻器直接轉矩控制和矢量控制這兩種控制模式都不能用于“一拖二”方式，所有只能選用恒壓頻比(V/F)控制作為變頻調速方式。由于恒壓頻比(V/F)控制方式的穩態調速性能和動態調速性能都不太理想，可能會導致電動機在低速運行時出現帶載能力差，起動轉矩低等現象，故基本上應用于調速性能要求不太高的工況。另外，“一拖二”方式下，各受控電動機的實際轉速由不同的機械特性曲線和不同的負載力矩決定，各電機實際轉速還是不盡相同，理論上只是空載轉速相同而已。因此，該方式下的各個電機同步性不高，只能用于對于速度、位置等控制目標精度要求不高的場合較為適用。同時，當大車兩側運行軌道安裝不標準，導致大車機構出現“啃軌”現象，以及兩側端梁輪壓差別較大時，例如，小車帶重負載停在某一側端梁附近，或者某側端梁安裝大車導電架側需拖動大量電纜滑車時，將會出現兩側電機出現嚴重的負載不平衡，導致大車運行軌跡直線性較差，并且，大車單側電機轉矩及發熱過大，會大大縮短電機使用壽命。

2 解決的方法

兩臺大車電機采用ABB ACS800變頻器的主從控制模式進行驅動應能解決上述的問題，該控制模式是針對多電機傳動系統而設計，單獨的變頻器控制單獨的電機，即變頻器與電機之間為一一對應的關系。因此，主從控制可以采用具有轉矩控制能力的矢量控制和直接轉矩控制方法。利用上述高性能的控制模式，可在同步運行的大車驅動機構之間建立合理的載荷分配關系，充分發揮各受控電動機的轉矩輸出能力。如圖1所示。

圖1 控制框架圖

橋式起重機的兩臺大車行走電機由端梁及主梁形成連接。即主變頻器（以下簡稱主機）和從變頻器（以下簡稱從機）的電機為剛性連接，所以主機應采用典型的速度控制模式，而從機采用轉矩控制模式對主機的轉矩輸出進行輸出跟隨，從機時刻跟隨輸出主機的轉矩給定值。因此，較好地保持了電機負載平衡，以使傳動單元之間平均分配負載轉矩。此時由機械結構保證轉速同步，每臺電機分別由獨立的變頻器控制，因此保證了各大車電動機承擔負載的合理分配，防止出現分配轉矩嚴重不平衡。變頻器轉矩控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 轉矩控制邏輯流程圖

主機采用速度控制方式輸出，即速度給定值speedref3與實際速度值actual speed進行比較計算，通過窗口限制功能及pid調節器得到轉矩給定值torqref2，該值經過轉矩選擇器后運算后，得到最終的轉矩給定值torqref3主機速度環輸出的最終轉矩給定值torqref3同時作為從機的轉矩給定值，實現主機和從機的負載轉矩平衡分配。

在變頻器主/從控制模式下，外部控制信號（例如,PLC的輸出控制信號）只與主機連接。主機通過一個光纖串行通訊線路來控制從機。如圖3所示。

圖3 通訊連接圖

主機通過光纖通訊線路將一些重要的控制信息，例如：從機控制字信息、轉矩給定值信息和轉速給定值信息傳送給從機，以此實現了對從機的運行控制。而從機則無須有任何數據通過主從通訊線路反饋給主機。值得注意的是，應把從機的故障報警信號通過硬接導線連接到主機的運行使能信號端，這樣便可作為一種連鎖保護。從機如果發生故障報警停機，連鎖信號將觸發主機的停機信號。

主機通過通訊線路發送給從機的的控制字信息是一個16位字類型數據，如表1所示。

表1 主機控制字表

其中只有bit3（run）、bit7（reset）、bit10（remote－cmd）使用，當從機參數[10.01]（ext1start/stop／dir）或[10.02]（ext2start/stop/dir）設置為comm.cw參數時，控制字命令可視為有效。給定值是由1個符號位和15個整數位的16位字數據組成，給定1為速度給定值，給定2為轉矩給定值。在從機的數據中，外部速度給定值將由給定1來決定，需將參數11.03（extref1）設置為comm.ref；外部轉矩給定值將由給定2來決定，需將參數[11.06]（extref2select）設置為comm.ref。

3 主/從控制參數設置

表2 主機參數表

從機參數設置如表3所示。

表3 從機參數表

值得注意的是，當從機為轉矩控制，參數[11.02] EXT1/EXT2 SELECT 設置為EXT2 時，參數 [60.02] TORQUE SELECTOR 宜設置為ADD，參數[60.03] WINDOW S EL ON宜設置為YES。即ADD 選項和視窗控制（WINDOW S EL ON）一起為轉矩控制模式下的從機提供了一種用于速度監視的功能。在速度監視功能允許的范圍內，從機按照主機的轉矩給定信號值 (TORQ REF 1)運行。如果速度偏差值（速度給定值減實際速度值）處在參數定義范圍內，視窗控制功能將使速度調節器的輸入和輸出均為0。如果速度偏差值超出窗口功能允許的范圍，視窗控制功能會將誤差傳至速度調節器。而速度調節器接收視窗控制功能的信號后，將調節輸出內部轉矩給定值，以達到轉矩平衡的效果。

4 結束語

在多電機同步運行的工況下，主從控制是較之“一拖二”控制模式有其多方面的優勢，不僅能夠保證橋式起重機大車機構兩個電機的同步運行，而且可較好地實現負載的均勻分配，減少了設備因不同步、負載分配不平衡而導致的電機的發熱及其他可能產生的設備故障，保證整個設備的安全穩定運行。

[1] 北京ABB電氣傳動系統有限公司.ACS800 標準應用程序固件手冊補充說明,主/從機應用指南.

[2] 裘為章.實用起重機電氣技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2005.