安川G7系列變頻器在門座起重機控制系統中的應用

摘 要：文章主要介紹安川的CIMR-G7系列變頻器在門座起重機械起升機構自控系統中的應用。門座起重機控制系統使用PLC與安川CIMR-G7系列變頻器系統緊密結合在一起，解決了因啟、停沖擊大造成門座起重機設備機構及金屬結構的磨損、變形、開裂、出現過早損壞、降低使用功能等問題，達到增強控制系統的穩定性、減少故障率、降低維護成本、提高裝卸效率、延長使用壽命的目的。

關鍵詞：變頻器；門座起重機；起升機構；PLC

1 引言

門座起重機是橋架通過兩側支腿支承在地面軌道或地基上的橋架型起重機。具有沿地面軌道運行，其下方可通過鐵路車輛或其它機械設備。可360°旋轉的起重裝置裝在門形座架上的一種臂架型起重機。門座起重機沿地面的軌道運行，進行起重裝卸作業。起升結構是門座起重機最重要的傳動機構，起升結構工作時要求輕載高速，重載低速，就位穩，并且正反轉和起制動頻繁，重復短時工作，采用變頻調速系統控制完全可以實現以上性能。本文主要研究門座起重機起升機構采用安川CIMR-G7系列變頻器的變頻調速系統應用及優越性。

2 門座起重機起升工作原理

門座起重機的起升機構都是通過變頻器驅動電動機，電動機經過減速箱傳動，帶動鋼絲繩卷筒滾動，通過鋼絲繩的升降對重物進行升降。門座起重機起升機構通常是由兩套變頻器、電動機、減速箱、鋼絲繩卷筒機構來組成，當控制狀態為吊鉤狀態，則兩套起升機構功能相同且進行同步控制；當控制狀態為抓斗狀態，則一套機構為抓斗起升，一套機構為抓斗閉合。

3 門座起重機的起升機構變頻器控制方案

3.1 門座起重機起升機構主要硬件設備

以MQ-2533門座起重機為例，主要硬件設備如下：

（1）變頻專用電動機2臺，型號為大連布魯克YZP變頻專用電機，200KW

（2）起升電機的冷卻風機2臺，型號為無錫雙超G355A，功率0.5kW，AC380V

（3）起升制動器2個，型號

（4）起升變頻器器2臺，型號為安川CIMR-G7B4220，220KW，帶配帶PG-B2速度反饋卡進行閉環矢量控制

（5）速度反饋用編碼器2個

（6）制動單元4個，其中安川CDBR-4220B兩個，CDBR-4045B兩個

（7）起升主令型號為德國Spohn+Burkhardt主令控制器，自帶編碼器

（8）PLC配置為日本YASKAWA（安川）公司的全系列專用港機PLC中CP-316H系列整體式可編程控制器

3.2 門座起重機控制流程

門座起重機通過司機室主令手柄對起升、變幅、旋轉、行走機構進行控制。

調速的開環控制是通過主令控制器的編碼器將速度的給定數字量信號傳輸給PLC，由PLC相應程序塊傳送給模擬量輸入輸出模塊，經D/A數模轉換將0～10V的模擬量輸入變頻器A1-AC端，變頻器頻率指令參數b1-01=1，從而控制變頻器的輸出逆變交流電的頻率和電壓，從而控制電動機的轉速。調度的閉環控制是采用PG-B2速度反饋卡進行閉環控制，由電動機上安裝的速度編碼器檢測電動機的實際轉速，通過安川變頻器的PG卡將速度信號反饋給變頻器，與主令手柄的給定速度信號進行比較，保證速度的準確性。起升、下降停止采用液壓驅動盤式制動器控制。

3.3 CIMR-G7變頻器的技術特點

與一般的變頻相比，安川CIMR-G7變頻器最顯著的特點是主回路可采用12脈沖整流與三電平逆變等先進的拓撲結構。

3.3.1 12脈沖整流

12脈沖整流主回路種采用交流獨立輸入和直流輸出并聯的兩組整流橋，其輸入端的電壓幅值相同，但相位角相差30度，這樣就可以在輸出側得到電壓疊加的12非整流脈沖波形。這種整流方式雖然只是對整流電路進行了簡單的改進，但其帶來的優點是兩組整流橋輸入電流的5.7.17.19…次諧波正好可以相互抵消，再通過簡單濾波就可消除電網中的12k±1（k為正整數）次諧波。消除高次諧波不僅可以降低變頻器對輸入變壓器、斷路器、電纜等電器的容量與耐壓要求，而且還可以減輕變頻器對電網的危害，在減少投資費用的同時改善了電網質量。12脈沖整流的另一優點是可以將整流側輸出直流電壓波紋將為6脈沖整流的50%，從而降低變頻器內部對平波器件的要求、簡化了系統結構。

3.3.2 三電平逆變

三電平逆變的逆變原理是將原來每個橋臂上的單IGBT，用兩只串聯的IGBT（V1/V2與V3/V4）替代，然后利用二極管V5和V6的1/2電壓鉗位控制，使每個IGBT所承受的最大電壓由原來的E降為E/2，從而實現了用中低壓器件控制中高電壓。三電平逆變時，電機每相輸出將由原來普通逆變的兩種狀態（-E，+E）變為V3/V4導通（輸出電壓為-E/2）、V2/V3導通（輸出電壓為0）、V1/V2導通（輸出電壓為E/2）三種狀態。

安川CIMR-G7變頻器采用三電平逆變大幅降低IGBT的電壓、縮小體積并提高可靠性，同時有降低電機側電磁干擾與諧波及改善輸出電流波形的作用。

4 變頻控制系統的特點及優越性

采用安川G7變頻調速和可編程控制技術控制門座式起重機各系統，不僅可以降低能源的消耗，提高工作效率，降低維修費用，減少勞動強度，而且可以明顯提高門座式起重機的安全性、可靠性，滿足惡劣工況和作業需要。主要表現在：

4.1 明顯改善金屬結構性能。變頻調速使起升、變幅、旋轉、行走各運行機構運行平穩，減輕了各個機構在起、制動和加、減速時對門機機械部分造成的沖擊，延長了門機機械部分的壽命。

4.2 工作可靠性顯著提高，主要有以下兩個方面：

4.2.1 極大的延長各機構制動器的使用壽命，常規拖動系統是在運動的狀態下進行抱閘的（熱剎車），采用變頻調速后，采用PG-B2速度反饋卡進行閉環控制，檢測電動機的實際轉速，實現了實際的“零速抱閘”，極大的延長了制動蹄片及制動盤的壽命。

4.2.2 極大的降低電器控制系統的故障率。常規拖動系統是由十分復雜的接觸器-繼電器系統進行控制的，由于工作時震動大、發熱高、頻繁通斷造成的磨損，使其故障率較高。采用了變頻調速控制系統后，用軟件即可實現物理原件的作用，且變頻器本省壽命長、故障率低，使控制系統可靠性大為提高。

4.3 節能效果顯著

常規控制門座起重機的轉子異步電動機是通過在轉子回路串聯大小不同的電阻實現不同運行速度的控制，無論低速還是高速運行，消耗電能都是一樣多，而采用變頻調速系統后，矢量控制中控制滑差頻率使電機效率達到最高，不存在常規電器控制在低速運行時外接電阻消耗大量電能的情況，并且在起重機放下重物時，還可將重物釋放的位能轉化為電能反饋電網。

4.4 明顯提高調速質量，調速范圍寬、性能好，調速平穩，能夠長時間低速運行，具有很高的定位精度和運行效率。起升、變幅、旋轉工作速度可實現無級變速，操作者可根據負載的變化情況，實現平穩調速。

4.5 可實現故障監測和自診斷

對電源的過壓、過流、缺相、欠壓，繼電器、接觸器的工作狀態都能做到及時準確的檢測而自動采取應變保護措施，確保了控制、保護動作的準確性和可靠性。維修人員可根據變頻器提示的故障信息，快速的排除故障。

5 結束語

變頻器控制具有穩定性好，響應快，可靠性高，是一種理想的交流無級調速電氣傳動系統。門座起重機采用變頻器驅動后使整機性能有較大提高，如可無級調速、運行平滑穩定；工作效率高、操作靈活、節能效果顯著；完善的保護功能提高了安全性能，減少了起重機故障率；變頻器極大減少起動時對電網的沖擊，改善了電網的用電質量。安川CIMR-G7系列變頻器以其先進的的技術特點，更加適合應用與門座起重機的變頻調速系統中。