ACS800變頻器在起重機中的應用策略

蔣炳杰

（中鐵福船海洋工程有限責任公司，福州 350000）

過去起重機主要采用傳統的調速模式，即通過電動機轉子回路與電阻串聯來調節起重機的速度。雖然傳統模式應用較為廣泛，但存在振動劇烈、沖擊頻繁以及速度不平穩等問題，甚至可能導致結構開裂。特別是在工作條件較為惡劣，同時具有高溫、高濕以及粉塵較大的特點的生產環境，傳統模式的調速方法應用效果不佳，不能充分發揮自身作用。ACS800變頻器因其啟動過程和制動過程更加平穩，同時節能效果良好，所以可以在起重機中獲得更好的應用效果。

1 傳統起重機傳動控制存在的不足

1.1 傳動性能不足

過去起重機采用傳統形式的調速系統，即采用轉子串接電阻形式實現一定范圍內的調速操作，但是不能同步改變轉速，導致傳動系統不具有良好的機械特性，并整體呈現出傳動性能不足的情況。

1.2 可靠性不足

在起重機采用傳統調速系統的過程中，操作人員需要不斷采用反接制動形式進行穩鉤。在大電流狀態下，接觸器頻繁分合可能導致其中的接觸點出現燒結情況，且可能燒毀電阻。如果相應的保護措施不夠完善，還有可能燒毀電動機；制動閘皮在數次受到嚴重沖擊后將會出現越來越嚴重的磨損，導致檢修頻率上升；繞線式電動機中的滑環和電刷也極易出現損壞[1]。

1.3 增加能耗

起重機通常在低速狀態下運行，因此轉子串接電阻能夠消耗大量轉差功率。

1.4 維修成本較高

因為起重機出現故障的頻率較高，對其維修不僅涉及人力和物力，還會影響起重機的正常運行，所以整體維修成本較高。

2 ACS800變頻器

ACS800變頻器主要采用直接轉矩控制（Direct Torque Control，DTC）形式。在轉矩轉速的雙閉環系統中，電動機的轉矩和轉速均可得到實時計算，且動態或靜態精度均相對較高。相對于其他形式的控制方法，ACS800變頻器采用DTC形式的速度更快，可以將響應時間控制在5 ms之內，同時可以彌補傳統調速系統存在的不足，也可有效改善在轉矩開環變頻器中存在的低速段轉矩不足的情況，其中零速轉矩已經上升至200%，充分滿足了位能性負載的各項要求。另外，ACS800變頻器包含提升專用軟件，同時配備有多種接口，如總線控制、本地控制以及端子控制。它還可以再次劃分端子控制，分別為無線電控制、電位器控制以及手柄控制等，其中包含不同的專用功能，如轉矩驗證、預勵磁、閘控邏輯以及功率優化等。優化ACS800變頻器的外圍結構有利于提升其可靠性和安全性。如果起重機需要數臺電機同時驅動，那么可在其中應用多臺ACS800變頻器，借助主從控制功能開展同步控制工作[2]，系統結構如圖1所示。

3 起重機控制系統特性

3.1 機械制動器釋放

在全部系統中，電機均已安裝機械式電機安全制動器，同時主、副起升以及變幅絞車中包含液壓式卷筒安全制動器。操作人員控制操縱桿，即可啟動電機扭矩。啟動電機制動器和相應的卷筒制動器，起升機構進入速度控制狀態，動作停止，電機制動器速度為零，并立即進行抱合[3]。

起重機處于運行狀態，主起升和變幅絞車相應的卷筒制動器能夠打開，并切換至關機狀態或待命狀態進行抱合。另外，絞車緊急停止或因報警而停止時也能夠進行抱合。操作人員控制操縱桿進行過偏轉，打開副起升絞車相應的卷筒制動器。起重機切換至關機狀態或待命狀態時、絞車緊急停止或因報警而停止時、載人模式中速度為零時，卷筒制動器均可立即抱合。

3.2 系統速度斜坡

起重機控制系統存在3個速度斜坡，分別為正常啟動和停止時速度斜坡、報警停止時速度斜坡以及受控緊急停止時速度斜坡。正常啟動和停止時速度斜坡即操作人員在需要進行加速或減速時，偏轉操縱桿由零開始直至最大速度或由最大速度開始降至零的過程中對應的速度斜坡。受控緊急停止時速度斜坡即處于受控緊急停止狀態下系統能夠自動斜降，同時操作人員的操作會被系統忽略，且運動能夠在指定時間內由最大速度開始斜降至零。受控緊急停止時，如果零速狀態反饋至系統，制動器將進行抱合。

4 ACS800變頻器在起重機中的應用

4.1 系統傳動配置

第一，在全回轉起重機中，4臺回轉電機各使用一臺變頻器驅動，并在電機軸尾位置安裝速度編碼器，可以及時反饋運行速度。第二，變幅機構配置方案與回轉機構一致。第三，主起升機構需要使用一臺變頻器驅動起升專用電機，且電機軸尾位置需要安裝一臺速度編碼器和一臺位置絕對值編碼器，以反饋速度并進行控制檢測。第四，全部變頻器均采用斬波器聯合制動電阻的形式，以便實現制動功能。第五，全部變頻器中均包含RPBA-01型號的接口卡件，同時配有標準型號的現場總線接口[4-5]。

4.2 電氣控制系統

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）作為電氣控制系統中的核心控制器件，采用工業控制方式控制現場總線，使得PLC、觸摸屏、遠程輸入/輸出（Input/Output，I/O）以及各個機構的變頻器共同聯結，從而更加有效地控制電纜，提高了系統的可靠性。總線結構示意圖如圖2所示。

第一，在司機室安裝觸摸屏，操作人員發出指令，觸摸屏可以全面顯示系統中的各項工況信息，可為各項操作和維修工作提供便利。第二，其他控制柜中安裝遠程I/O和PLC，并收集現場檢測器件和變頻器狀態信息，同時可以控制繼電器動作和接觸器動作。第三，鎖相值（Phase Locking Value，PLV）通信和變頻器中應用通信模塊，通過總線下載變頻器的速度指令和控制指令，有效推動各個機構工作。

4.3 變頻器與PLC通信

系統選擇采用現場總線形式替代傳統形式的開關量或模擬量來控制變頻器。因此，小車和起升變頻器均需要借助選件模塊與總線進行連接。操作人員需要綜合考慮數據傳輸過程的穩定性和實時性，數據傳輸格式為PPO-5，波特率為187.5 kBaud。開始使用總線結構后，系統還可進一步改善，如布線更加簡潔、給定更加穩定、可有效避免模擬量給定抖動情況以及速度連續性更好等。

4.4 制動器控制

一般來說，起升機結構中需要采用延時繼電器控制松閘，但是難以確定延時時間。如果延時時間過長，電機將出現長時堵轉的情況，且輕載狀態下極易出現啟動過猛的情況；如果延時時間過短，在重載過程中，將有可能因電機力矩不足而出現溜鉤情況。ACS800變頻器具有預加力矩和轉矩驗證兩項功能。系統可在適宜位置自動返回PLC，從而保障電機在松閘前完成預加力矩操作。

各個機構中，抱閘均具有ABB變頻器速度監控功能。制動時，先由變頻器進行減速，呈現低速狀態后傳輸至PLC，待PLC讀取狀態后進行抱閘，即為軟制動。該制動模式有利于提升制動過程的安全性，延長制動器的使用壽命，減少工作機構受到的沖擊。

5 起重器的操作

5.1 啟動

開始操作前應該檢查整機和全部部件，確認作業區域內無障礙物。當起重機狀態切換至運行時，需要注意檢查操縱桿和腳踏板的偏轉情況。如果存在偏轉現象，那么起重機的啟動程序將被軟件阻止，以免發生意外。在檢查作業的過程中，操作人員應該選擇適宜的負載曲線和合理的操作模式。若未選擇負載曲線，起重機的操作將會受到阻止。

5.2 主、副起升的上升和下降

通過控制操縱桿的動作來控制主吊鉤和副吊鉤，以實現絞車的旋轉動作。向前側推動操縱桿，吊鉤可下降；向后側拉動操縱桿，吊鉤可上升。通過應用起重機左控制臺U5和U6兩個操縱桿，可以控制起重機的上升、下降、左旋以及右旋。

6 結語

在起重機中應用ACS800變頻器，能夠體現其調速范圍大、應用效果好等優勢，使得設備在啟動、運行以及停止過程中具有更高的平穩性，從而減少設備磨損，延長設備的使用壽命。