ACS800變頻器在造船門式起重機起升調速系統中的應用

姜 武，朱國興

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院南通分院，江蘇 南通 226011）

近年來，沿江沿海地區的造船企業蓬勃發展，造船門式起重機已成為造船企業的主要生產設備。國內最初是從國外全引進，因此造價較高，并在十多年前開始自行設計制造。當時在電氣調速控制系統上，一般采用直流調速控制系統或異步電機轉子串電阻調速，隨著變頻控制技術的日趨完善，目前已很少采用直流控制系統或轉子串電阻調速，大部分造船門式起重機已越來越多的采用交流變頻控制系統，這樣做既降低了投資成本，又增加了設備可靠性，還提高了設備調速性能[1]。

本文采用ABB公司ACS800變頻器，以江蘇南通蛟龍200t造船門式起重機為研究對象，給出ACS800變頻器在造船門式起重機起升調速系統中的一種應用方案。

1 起升機構調速控制系統方案

1.1 起升機構主要參數

（1）起重機工作級別：A5。

（2）起重量:上小車100×2 t，下小車主鉤100 t，副鉤20 t，上下小車空中翻身200 t，上下小車共抬起重量200 t。

（3）速度：上小車起升速度10米/分，下小車主鉤起升速度10米/分，副鉤起升20米/分。

1.2 起升機構的轉矩分析

（1）電機轉矩:電機轉矩即由起升機構的電動機產生的轉矩，是主動轉矩，方向為正（上升方向）或負（下降方向）。

（2）重力轉矩：重物及吊鉤等作用于卷筒所產生的轉矩，其大小可用重物及吊鉤等的重量與卷筒半徑的乘積來計算；重力轉矩的方向為負。

（3）摩擦轉矩：由于減速機構的傳動比較大，因此，不可忽略減速機構的摩擦轉矩（包括其他損失轉矩）。摩擦轉矩的方向總與運動方向相反。

1.3 起升機構調速控制系統的分析與選擇

直流調速具有過載能力大，調速比大，起制動性能好，適合頻繁的起制動，故障率低等優點，缺點是系統結構復雜，價格昂貴，需要直流電源等。異步電機轉子串電阻調速，線路簡單，成本低，易維修，但調速性能差[2]。變頻調速可在整個調速范圍內連續控制，開、閉環特性好，調速比可達1：100以上，調速精度±1%，調速平穩，動態響應好，可以長時間低速運行，具有極高的定位精度，節能效果顯著，另省去了電動機轉子側的大功率電阻、切換交流接觸器和電動機正反轉交流接觸器，電機屬鼠籠式異步電動機類、成本相對低廉，維修少，是理想的調速方案。

變頻調速有多種方式，變頻調速的恒壓頻比（V/F）控制方式在額定頻率以下，適合于需要較大調速范圍的恒轉矩負載。在額定頻率以上工作時，這種控制方式用在額定轉速以上范圍調速，適合驅動恒功率負載。

采用矢量控制方式的通用變頻器不但可以精確控制異步電動機產生的轉矩，而且在調速范圍上可與直流電動機相匹配。準確的被控異步電動機的參數是矢量控制方式成功運行的基礎，因此有時需要將異步電動機的參數準確地輸入通用變頻器，此外還需要使用速度傳感器和編碼器。

直接轉矩控制技術直接在定子坐標系下分析異步電動機的數學模型，利用空間矢量和定子磁場定向的分析方法，計算與控制異步電動機的磁鏈和轉矩，采用離散的兩點式滯環調節器（Band—Band控制）[3]，把轉矩給定值與轉矩檢測值作比較，從而使轉矩波動限制在一定的容差范圍內，容差的大小由頻率調節器來控制，并產生PWM脈寬調制信號，直接對逆變器的開關狀態進行控制，以獲得高動態性能的轉矩輸出，省去了通常的PWM脈寬調制信號發生器，因此控制信號處理的物理概念明確，控制結構簡單，系統的轉矩響應迅速，是靜、動態性能均優異的一種的交流調速控制方式。

根據以上分析，起升機構采用ABB公司ACS800變頻器直接轉矩控制的交流調速系統。

1.4 ACS800變頻器基本性能與電氣接口示意圖

1.4.1 ACS800適合起重機的基本性能

（1）零速滿轉矩

由ACS800驅動的電機能夠在零速起動時獲得電機的額定轉矩，即使沒有速度反饋也一樣可以。

（2）起動轉矩

DTC提供的精確的轉矩控制使得ACS800能夠提供可控且平穩的最大起動轉矩；合理選擇的變頻器，能使最大起動轉矩達到200%以上。

（3）精確控制

ACS800的動態轉速誤差在開環應用時為0.4%s，在閉環應用時為0.1%s。ACS800變頻器的靜態精度在開環為電機滑差的10%，閉環為0.01%。

（4）快速轉矩響應

動態轉矩階躍響應時間，在開環應用時能達到1~5ms。

（5）電源閃落時的運行

ACS800將利用正在旋轉著的電機的動能繼續運行，只要電機旋轉并產生能量，ACS800將繼續運行

1.4.2 變頻器電氣接口示意圖

變頻器電氣接口示意圖，如圖1所示。

2 主要部件選型

2.1 電機容量的選擇

電機容量可根據以下公式來選擇。

式中，

W 為額定載荷，是吊鉤和繩索的質量，t；

ν 為額定速度，m/min；

η 為機械效率，η =ηGηR，其中，ηG為齒輪效率（90%~95%/1段）；ηR為滑車（繩索）效率（90%~97%/滑車1段）。

根據以上分析，小車主起升選用YZP355L110電機，額定功率110 kW，額定電流230 A，額定轉矩1769N·m，額定轉速585 rpm。

2.2 變頻器容量的選擇

變頻器容量可根據以下公式來選擇。

圖1 變頻器電氣接口示意圖

式中，

k 為過載系數，一般通用型變頻器取1.35；

PM為負載需求電動機軸的輸出功率（kW）；

η 為電動機效率；

cosα 為電動機的功率因數。根據以上分析，小車主起升選用ACS800-04-0260-3+P901+D150+L502+N652變頻器。

2.3 現場總線適配器模塊的選擇

通過現場總線適配器模塊，ABB傳動裝置可以連接到PROFIBUS網絡上，其流程如下：

（1）向傳動單元發出控制命令（起動、停止、允許等）。

（2）向傳動單元發送速度或轉矩給定信號。

（3）向傳動單元的PID調節器發送一個過程實際值或一個過程給定信號。

（4）從傳動單元中讀取狀態信號和實際值。

（5）改變傳動參數值。

（6）對傳動單元進行故障復位。

根據以上分析，小車主起升選用RPBA-01型PROFIBUS-DP模塊。

2.4 光電編碼器的選擇

光電編碼器，直接把角位移轉換為數字信號，檢測電機速度。編碼信號直接接入到變頻器中，驅動器提供2對差分信號（A+、A-、B+、B-）作為反饋，Z+、Z-為方向信號。每轉一圈輸出1024個脈沖，從A、B兩相脈沖的脈沖個數和相位超前關系可以得到位置偏移量；而Z脈沖為每轉一圈輸出一個脈沖，用于伺服系統中的定位。

根據以上分析，小車主起升選用HLE45-1024L3F.AC光電編碼器。

3 主起升控制流程

主起升機構的控制流程首先判斷主起升條件、動力反饋、變頻器自身故障檢測；然后檢測主起升零位條件，判斷是否合乎總電源啟動條件；最后在運行過程中，不斷檢測限位信號和負載大小（主要用于檢測是否過載）；最后在與制動器時序匹配的條件下，主起升電機通過加減速檔進行工作，隨即進行其他流程。

4 防溜鉤控制流程

由于重物自身有重力，在起升或下降重物時，必須有制動器與電機相配，防止溜鉤，溜鉤控制流程如圖2所示。

圖2 防溜鉤控制流程

5 結束語

本文采用ABB公司ACS800變頻器,構建了直接轉矩控制的起升機構交流調速系統，實際結果證明該系統運行良好，達到了GB/T 27997-2011《造船門式起重機》標準規定。

[1]郭 宏，于凱平.電機控制中心綜述[J].電氣傳動，2007，36(3)：8-10.

[2]劉吉仿，李偉力，程樹康.異步變頻電機發展綜述[J].微電機，2007，40(6)：76-77.

[3]Rodriguez J，Pontt J，Kouro S.Direct torque control with im posed switching frequency in an 11-level cascaded inverter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2004,51(4)：827-833.