變頻器主/從控制技術(shù)在橋式起重機(jī)上的應(yīng)用探討

李 力

（北京起重運(yùn)輸機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，北京 100007）

0 引言

近年來(lái)，隨著變頻技術(shù)的快速發(fā)展，變頻器由于其調(diào)速性能穩(wěn)定，節(jié)能環(huán)保，性?xún)r(jià)比高等多方面的特性，在起重行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。由我院設(shè)計(jì)制造的垃圾吊，秸稈吊等各種型式的雙梁橋式起重機(jī)的提升機(jī)構(gòu)，大小車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中目前均采用變頻方式進(jìn)行調(diào)速控制。按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，在雙梁橋式起重機(jī)的大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中，分別安裝在兩側(cè)端梁位置的兩臺(tái)大車(chē)運(yùn)行電機(jī)由一臺(tái)變頻器進(jìn)行同步驅(qū)動(dòng)。這種大車(chē)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方式目前從實(shí)際使用情況來(lái)看基本正常，但在某些特定的工況下，這種驅(qū)動(dòng)方式是否能使設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行有待商榷。本文從設(shè)備功能優(yōu)化的角度出發(fā)，試將變頻器的主/從控制模式應(yīng)用在雙梁橋式起重機(jī)的大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中，希望與各位同行，專(zhuān)家交流探討，以期改進(jìn)設(shè)備性能。

1 現(xiàn)存的問(wèn)題

在目前的橋式起重機(jī)的大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)中，大多數(shù)的控制方案都是采用“一拖二”的方式，即用一臺(tái)功率不小于兩臺(tái)電機(jī)功率總和的變頻器同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)行走電機(jī)，由變頻器產(chǎn)生的理論上相同頻率和相同幅值的電壓作用在各電動(dòng)機(jī)上，這時(shí)就可以把變頻器的輸出側(cè)理解成共用的供電母線。在這些受控電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)基本一致時(shí)，它們最終表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械特性也是較為一致的，機(jī)械特性包括了理想的空載轉(zhuǎn)速及斜率等各種電機(jī)特性。當(dāng)所承受的負(fù)載也基本相當(dāng)時(shí)，實(shí)際電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速也基本相同。這種驅(qū)動(dòng)控制方式，簡(jiǎn)單實(shí)用。由于變頻器直接轉(zhuǎn)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(diào)速方式。由于恒壓頻比(V/F)控制方式的穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能和動(dòng)態(tài)調(diào)速性能都不太理想，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)帶載能力差，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩低等現(xiàn)象，故基本上應(yīng)用于調(diào)速性能要求不太高的工況。另外，“一拖二”方式下，各受控電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速由不同的機(jī)械特性曲線和不同的負(fù)載力矩決定，各電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速還是不盡相同，理論上只是空載轉(zhuǎn)速相同而已。因此，該方式下的各個(gè)電機(jī)同步性不高，只能用于對(duì)于速度、位置等控制目標(biāo)精度要求不高的場(chǎng)合較為適用。同時(shí)，當(dāng)大車(chē)兩側(cè)運(yùn)行軌道安裝不標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致大車(chē)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)“啃軌”現(xiàn)象，以及兩側(cè)端梁輪壓差別較大時(shí)，例如，小車(chē)帶重負(fù)載停在某一側(cè)端梁附近，或者某側(cè)端梁安裝大車(chē)導(dǎo)電架側(cè)需拖動(dòng)大量電纜滑車(chē)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的負(fù)載不平衡，導(dǎo)致大車(chē)運(yùn)行軌跡直線性較差，并且，大車(chē)單側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)矩及發(fā)熱過(guò)大，會(huì)大大縮短電機(jī)使用壽命。

2 解決的方法

兩臺(tái)大車(chē)電機(jī)采用ABB ACS800變頻器的主從控制模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)應(yīng)能解決上述的問(wèn)題，該控制模式是針對(duì)多電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，單獨(dú)的變頻器控制單獨(dú)的電機(jī)，即變頻器與電機(jī)之間為一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，主從控制可以采用具有轉(zhuǎn)矩控制能力的矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制方法。利用上述高性能的控制模式，可在同步運(yùn)行的大車(chē)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間建立合理的載荷分配關(guān)系，充分發(fā)揮各受控電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力。如圖1所示。

圖1 控制框架圖

橋式起重機(jī)的兩臺(tái)大車(chē)行走電機(jī)由端梁及主梁形成連接。即主變頻器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)主機(jī)）和從變頻器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)從機(jī)）的電機(jī)為剛性連接，所以主機(jī)應(yīng)采用典型的速度控制模式，而從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制模式對(duì)主機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出進(jìn)行輸出跟隨，從機(jī)時(shí)刻跟隨輸出主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值。因此，較好地保持了電機(jī)負(fù)載平衡，以使傳動(dòng)單元之間平均分配負(fù)載轉(zhuǎn)矩。此時(shí)由機(jī)械結(jié)構(gòu)保證轉(zhuǎn)速同步，每臺(tái)電機(jī)分別由獨(dú)立的變頻器控制，因此保證了各大車(chē)電動(dòng)機(jī)承擔(dān)負(fù)載的合理分配，防止出現(xiàn)分配轉(zhuǎn)矩嚴(yán)重不平衡。變頻器轉(zhuǎn)矩控制邏輯流程如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)矩控制邏輯流程圖

主機(jī)采用速度控制方式輸出，即速度給定值speedref3與實(shí)際速度值actual speed進(jìn)行比較計(jì)算，通過(guò)窗口限制功能及pid調(diào)節(jié)器得到轉(zhuǎn)矩給定值torqref2，該值經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)矩選擇器后運(yùn)算后，得到最終的轉(zhuǎn)矩給定值torqref3主機(jī)速度環(huán)輸出的最終轉(zhuǎn)矩給定值torqref3同時(shí)作為從機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定值，實(shí)現(xiàn)主機(jī)和從機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡分配。

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

圖3 通訊連接圖

主機(jī)通過(guò)光纖通訊線路將一些重要的控制信息，例如：從機(jī)控制字信息、轉(zhuǎn)矩給定值信息和轉(zhuǎn)速給定值信息傳送給從機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)從機(jī)的運(yùn)行控制。而從機(jī)則無(wú)須有任何數(shù)據(jù)通過(guò)主從通訊線路反饋給主機(jī)。值得注意的是，應(yīng)把從機(jī)的故障報(bào)警信號(hào)通過(guò)硬接導(dǎo)線連接到主機(jī)的運(yùn)行使能信號(hào)端，這樣便可作為一種連鎖保護(hù)。從機(jī)如果發(fā)生故障報(bào)警停機(jī)，連鎖信號(hào)將觸發(fā)主機(jī)的停機(jī)信號(hào)。

主機(jī)通過(guò)通訊線路發(fā)送給從機(jī)的的控制字信息是一個(gè)16位字類(lèi)型數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 主機(jī)控制字表

其中只有bit3（run）、bit7（reset）、bit10（remote－cmd）使用，當(dāng)從機(jī)參數(shù)[10.01]（ext1start/stop／dir）或[10.02]（ext2start/stop/dir）設(shè)置為comm.cw參數(shù)時(shí)，控制字命令可視為有效。給定值是由1個(gè)符號(hào)位和15個(gè)整數(shù)位的16位字?jǐn)?shù)據(jù)組成，給定1為速度給定值，給定2為轉(zhuǎn)矩給定值。在從機(jī)的數(shù)據(jù)中，外部速度給定值將由給定1來(lái)決定，需將參數(shù)11.03（extref1）設(shè)置為comm.ref；外部轉(zhuǎn)矩給定值將由給定2來(lái)決定，需將參數(shù)[11.06]（extref2select）設(shè)置為comm.ref。

3 主/從控制參數(shù)設(shè)置

表2 主機(jī)參數(shù)表

從機(jī)參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 從機(jī)參數(shù)表

值得注意的是，當(dāng)從機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，參數(shù)[11.02] EXT1/EXT2 SELECT 設(shè)置為EXT2 時(shí)，參數(shù) [60.02] TORQUE SELECTOR 宜設(shè)置為ADD，參數(shù)[60.03] WINDOW S EL ON宜設(shè)置為YES。即ADD 選項(xiàng)和視窗控制（WINDOW S EL ON）一起為轉(zhuǎn)矩控制模式下的從機(jī)提供了一種用于速度監(jiān)視的功能。在速度監(jiān)視功能允許的范圍內(nèi)，從機(jī)按照主機(jī)的轉(zhuǎn)矩給定信號(hào)值 (TORQ REF 1)運(yùn)行。如果速度偏差值（速度給定值減實(shí)際速度值）處在參數(shù)定義范圍內(nèi)，視窗控制功能將使速度調(diào)節(jié)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(huì)將誤差傳至速度調(diào)節(jié)器。而速度調(diào)節(jié)器接收視窗控制功能的信號(hào)后，將調(diào)節(jié)輸出內(nèi)部轉(zhuǎn)矩給定值，以達(dá)到轉(zhuǎn)矩平衡的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

在多電機(jī)同步運(yùn)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(yōu)勢(shì)，不僅能夠保證橋式起重機(jī)大車(chē)機(jī)構(gòu)兩個(gè)電機(jī)的同步運(yùn)行，而且可較好地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的均勻分配，減少了設(shè)備因不同步、負(fù)載分配不平衡而導(dǎo)致的電機(jī)的發(fā)熱及其他可能產(chǎn)生的設(shè)備故障，保證整個(gè)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 北京ABB電氣傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司.ACS800 標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序固件手冊(cè)補(bǔ)充說(shuō)明,主/從機(jī)應(yīng)用指南.

[2] 裘為章.實(shí)用起重機(jī)電氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.