斗輪堆取料機(jī)行走電機(jī)的變頻器調(diào)速設(shè)計(jì)

趙 磊

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050）

斗輪堆取料機(jī)作為散料連續(xù)裝卸系統(tǒng)的核心部分，主要承擔(dān)散料的堆存、控取和勻料［1］。寧波北侖港礦石碼頭現(xiàn)有2臺(tái)上世紀(jì)八十年代初從日本進(jìn)口的日立斗輪堆取料機(jī)（簡(jiǎn)稱斗輪機(jī)），其行走機(jī)構(gòu)由3臺(tái)33KW繞線式異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用了繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串接電阻的調(diào)速方式。由于斗輪機(jī)任務(wù)繁重，工作量大，在多年的使用過程中發(fā)現(xiàn)該控制方式中存在著很多難以解決的問題，嚴(yán)重影響了公司的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益。比如備品備件不足，故障設(shè)備無法及時(shí)更換、電子元件老化而可靠性下降，使設(shè)備損壞頻率大增等。

變頻調(diào)速是近年來發(fā)展起來的一門新興的自動(dòng)控制技術(shù)，它利用改變被控對(duì)象的電源頻率，成功實(shí)現(xiàn)了交流電動(dòng)機(jī)大范圍的平滑調(diào)速。采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制，由于使用方便、可靠性高并且經(jīng)濟(jì)效益顯著，所以得到了廣泛的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)的繞線式電機(jī)電控系統(tǒng)

交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)，采用轉(zhuǎn)子串電阻的方法啟動(dòng)和調(diào)速，它是一種變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法，用交流接觸器進(jìn)行速度段切換。

該調(diào)速方式機(jī)械特性軟，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速波動(dòng)較大，動(dòng)、靜誤差大，調(diào)速不理想。啟動(dòng)及換擋時(shí)沖擊電流大，啟動(dòng)電流一般是額定電流的4至7倍。如果加速快，不但會(huì)經(jīng)常損壞行走熔斷器，還會(huì)引起總開關(guān)跳閘；由于操作時(shí)交流接觸器動(dòng)作頻繁，易造成觸點(diǎn)及線圈的燒壞，維修量大；所串電阻長(zhǎng)期發(fā)熱，電能浪費(fèi)大，效率低。這些不僅影響了公司的安全生產(chǎn)還給公司造成了經(jīng)濟(jì)損失。因此，要從根本上解決斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)故障率高的問題，只有徹底改變交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻的調(diào)速方式。變頻器調(diào)速以其優(yōu)越的調(diào)速性能，完善的保護(hù)功能為斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)提供了有利的條件。

2 應(yīng)用變頻器調(diào)速的電控系統(tǒng)

變頻器是把工頻電源（50Hz）變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。其中控制電路完成對(duì)主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。變頻器是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心，也是構(gòu)成大型復(fù)雜傳動(dòng)系統(tǒng)的基本單元［2］。

2.1 變頻器的選用

（1）變頻器的分類：變頻器分類方法有多種，按照主電路工作方式分類，可以分為電壓型變頻器和電流型變頻器；按照工作原理分類，可以分為V／f控制變頻器、轉(zhuǎn)差頻率控制變頻器和矢量控制變頻器等；按照用途分類，可以分為通用變頻器、高性能專用變頻器、高頻變頻器、單相變頻器和三相變頻器等。

（2）變頻器的選型：在變頻器的使用中，由于對(duì)變頻器的選型及使用不當(dāng)，往往引起變頻器不能正常運(yùn)行、甚至引發(fā)設(shè)備故障，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，帶來不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

首先在選型時(shí)我們要看負(fù)載特性；生產(chǎn)機(jī)械的種類繁多，性能和工藝要求各異，其轉(zhuǎn)矩特性不同。因此應(yīng)用變頻器前首先要搞清電動(dòng)機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)，即負(fù)載特性，負(fù)載有三種類型：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載和恒功率負(fù)載。不同的負(fù)載類型，應(yīng)選不同類型的變頻器。

斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)由3臺(tái)交流繞線式異步電動(dòng)機(jī)共同傳動(dòng)，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)配置一套制動(dòng)器。作為一種平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其負(fù)載性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，以阻力矩摩擦類負(fù)載為主，在起、制動(dòng)時(shí)慣性較大。

摩擦類負(fù)載的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的150%左右，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩一般要求額定轉(zhuǎn)矩的100%左右，所以變頻器應(yīng)選擇具有恒定轉(zhuǎn)矩特性，而且起動(dòng)和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都比較大，過載時(shí)間和過載能力大的變頻器。

其次要看電壓等級(jí)；所選用的變頻器的電壓等級(jí)應(yīng)該與控制電機(jī)相符。此斗輪機(jī)的行走機(jī)構(gòu)共3臺(tái)380V繞線式電機(jī)組成，實(shí)際作業(yè)時(shí)電網(wǎng)波動(dòng)較大，變頻器應(yīng)在額定電壓等級(jí)±20% 的范圍內(nèi)都能正常工作。

再就是要看額定電流；在一般情況下，變頻器的額定電流為控制電機(jī)額定電流的1.1－1.5倍。而繞線電動(dòng)機(jī)與普通的鼠籠電動(dòng)機(jī)相比，繞組的阻抗小，容易發(fā)生由于紋波電流而引起的過電流跳閘現(xiàn)象，所以應(yīng)選擇比通常容量稍大的變頻器。

行走機(jī)構(gòu)所應(yīng)用的繞線式電機(jī)的額定電流值是62A，由于是3臺(tái)電機(jī)并聯(lián)工作，所以總額定電流為186A。

綜上所述，選用ABB公司的ACS 800系列ACS 800－04M－0210－3型變頻器可以滿足本次改造的要求。ACS800變頻器是由瑞典ABB公司研制的、第一代采用DTC技術(shù)的交流變頻器，主要針對(duì)提升機(jī)傳動(dòng)設(shè)計(jì)做了專門優(yōu)化處理，適用于負(fù)載頻繁變化的啟停控制［3］。ACS 800系列變頻器內(nèi)置了許多重要特性和選項(xiàng)：內(nèi)置進(jìn)線側(cè)電抗器可以降低諧波，這意味著較少的電磁干擾，以及電纜和變壓器中較少的發(fā)熱量；內(nèi)置EMC濾波器，可以防止進(jìn)線側(cè)瞬變從而保護(hù)傳動(dòng)；內(nèi)置制動(dòng)斬波器，可以獲得最佳的制動(dòng)效果且減小投資成本［4］。該型變頻器的額定電流289A，電壓等級(jí)為三相380V、400V、415V。

2.2 制動(dòng)電阻器的選型

在《ACS 800－04傳動(dòng)模塊 硬件手冊(cè)》中，提供了專用配套制動(dòng)電阻器的選型表，根據(jù)該表應(yīng)選擇ABB公司的SAFUR200F500型制動(dòng)電阻器。該制動(dòng)電阻器額定電阻值為2.7ohm（歐姆），額定連續(xù)耗散功率為13.5kW。

2.3 變頻器發(fā)熱問題及對(duì)策

變頻器是電子裝置，內(nèi)含電子元件機(jī)電解電容等，所以溫度對(duì)其壽命影響較大。通用變頻器的環(huán)境運(yùn)行溫度一般要求－10℃－＋50℃，如果能降低變頻器運(yùn)行溫度，就延長(zhǎng)了變頻器的使用壽命，性能也更加穩(wěn)定。變頻器發(fā)熱是由于內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的，為保證變頻器正常可靠運(yùn)行，必須對(duì)變頻器進(jìn)行散熱。ACS 800系列變頻器裝有內(nèi)置風(fēng)扇可將變頻器箱體內(nèi)部散熱帶走，而電氣室內(nèi)安裝有空調(diào)，我們?cè)诎惭b有變頻器的電氣柜中加裝了風(fēng)扇，使得變頻器產(chǎn)生的熱量可以合理流動(dòng)，風(fēng)扇的電源線路串接在制動(dòng)器的控制線路上。行走機(jī)構(gòu)在動(dòng)作之前，必須打開行走電機(jī)的制動(dòng)器，（風(fēng)扇和制動(dòng)器串接，就能夠保證在變頻器工作的同時(shí)風(fēng)扇也開始工作，這樣就可以使變頻器得到良好的散熱效果），故需要在端子排X22的7號(hào)端子（控制繼電器觸點(diǎn)電源）出線端串接行走制動(dòng)器打開信號(hào)。端子排X22的8號(hào)端子與11號(hào)端子跨接用于變頻器的啟動(dòng)連鎖。

2.4 主回路接線

根據(jù)生產(chǎn)和設(shè)備的情況，考慮節(jié)約的原則，我們保留了原繞線式電機(jī)串電阻調(diào)速控制，使改裝變頻器與原調(diào)速控制都可以用，確保緊急情況下仍可采用原控制系統(tǒng)應(yīng)急工作。在變頻控制時(shí)，將繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻環(huán)短路，三組電纜分別短接起來。將三根電源電纜接在變頻器主電纜輸入端U1、V1、W1上，變頻器電機(jī)電纜端 U2、V2、W2則與原有電動(dòng)機(jī)進(jìn)線端子相連。制動(dòng)電阻器的兩端分別接在變頻器“R＋”和“R－”端子上，如圖1所示。

2.5 控制回路接線與參數(shù)設(shè)置

斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)采用4檔位恒速模式，沒有使用無級(jí)調(diào)速，而且沒有外接電流表和速度表，所以變頻器的模擬量輸入輸出端子沒有使用。

圖1 主回路接線

2.5.1 開關(guān)量輸入

標(biāo)準(zhǔn)配置的ACS 800變頻器的開關(guān)量輸入端子排（X22）最多可以連接6個(gè)開關(guān)量。控制電機(jī)啟動(dòng)／停機(jī)需要1個(gè)開關(guān)量，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)需要1個(gè)開關(guān)量，控制變頻器故障復(fù)位需要1個(gè)開關(guān)量，另外3個(gè)開關(guān)量用于4檔位恒速選擇。

（1）啟動(dòng)／停機(jī)：繼電器34NX S104與34N S106、繼電器34SX S104與34SS106分別串聯(lián)后兩路并聯(lián)在一起作為電機(jī)啟動(dòng)／停機(jī)信號(hào)。其中繼電器34NX S104提供向北行走啟動(dòng)信號(hào)，繼電器34NS106提供北極限停止信號(hào)；繼電器34SX S104提供向南行走啟動(dòng)信號(hào)，繼電器34SS106提供南極限停止信號(hào)。與端子排X22的1號(hào)端子相連，參數(shù)10.01設(shè)置為“DI1，2”。

（2）正轉(zhuǎn)／反轉(zhuǎn)：由繼電器34NX S104提供信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為“1”時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，此信號(hào)為“0”時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。由于繼電器34NX S104的輔助觸點(diǎn)已經(jīng)被占用完，所以在一側(cè)并聯(lián)一個(gè)新的繼電器，與34NX S104的狀態(tài)完全相同，編號(hào)：“34NX S104新”。與端子排X22的2號(hào)端子相連，參數(shù)10.01設(shè)置為“DI1，2”。

（3）故障復(fù)位：由繼電器3R1S040提供信號(hào)，此繼電器用于斗輪機(jī)整機(jī)的故障復(fù)位。與端子排X22的3號(hào)端子相連，參數(shù)16.04設(shè)置為“DI3”。

（4）恒速選擇：根據(jù)原有4檔位5個(gè)繼電器（34NX S104、34SX S104、34X2S104、34X3S104、34X4S104）的工作規(guī)律，采用定義編碼的方式實(shí)現(xiàn)速度控制，分別與端子排X22的4、5、6號(hào)端子相連，參數(shù)12.01設(shè)置為“DI4，5，6”。當(dāng)打到啟動(dòng)正轉(zhuǎn)檔時(shí)參數(shù)10.01設(shè)置DI1，2值為（1，0），同時(shí)也是1檔它的參數(shù)12.02設(shè)置為DI4，5，6，值是（1，0，0）轉(zhuǎn)速250rpm。2檔時(shí)參數(shù)12.04，DI4，5，6，的值為（1，1，0）轉(zhuǎn)速500rpm。3檔時(shí)參數(shù)12.08，DI4，5，6，的值為（1，1，1）轉(zhuǎn)速750rpm。4檔時(shí)參數(shù)12.07，DI4，5，6，的值為（0，1，1）轉(zhuǎn)速980rpm。啟動(dòng)反轉(zhuǎn)檔時(shí)，參數(shù)10.01設(shè)置DI1，2值為（1，1），1－4檔的設(shè)置不變。

控制回路接線如圖2所示。

圖2 控制回路接線

2.5.2 繼電器輸出

ACS 800變頻器共有3對(duì)繼電器輸出端子排（X25、X26、X27），另外還可以根據(jù)需要擴(kuò)展繼電器輸出的數(shù)量。經(jīng)考慮有3個(gè)信號(hào)需要變頻器送出：準(zhǔn)備、運(yùn)行、故障，與之相對(duì)應(yīng)的是在司機(jī)室安裝的三色指示燈。

表1 原4檔位速度選擇的繼電器控制規(guī)律

表2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4檔位速度選擇

端子排X22為變頻器輸出繼電器提供24V直流電源，其1號(hào)端子采用白色線與司機(jī)室的三盞指示燈正極相連，其2號(hào)端子采用黑色線分別與繼電器輸出端子排（X25、X26、X27）的2號(hào)端子相連。準(zhǔn)備指示燈（黃色）通過黃色線與端子排X25的3號(hào)端子相連，參數(shù)14.01設(shè)置為“READY”；運(yùn)行指示燈（綠色）通過綠色線與端子排X26的3號(hào)端子相連，參數(shù)14.02設(shè)置為“RUNNING”；故障指示燈（紅色）通過紅色線與端子排X27的1號(hào)端子相連，參數(shù)14.03設(shè)置為“FAULT（－1）”。

2.5.3 設(shè)置參數(shù)

檢查主回路和控制回路接線完好，并且行走機(jī)構(gòu)沒有異常后，即可給變頻器設(shè)置參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如表3所示：

表3 變頻器參數(shù)設(shè)定

參數(shù) 設(shè)定值 注釋99.09 99kW 電機(jī)額定功率99kW，3臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)額定功率為33kW 10.01 DI1，2 通過數(shù)字輸入DI1的值來控制電機(jī)啟動(dòng)（0）和停止（1）10.03 REQUEST 通過數(shù)字輸入DI2的值來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)（0）和反轉(zhuǎn)（1）12.01 DI4，5，6 通過數(shù)字輸入 DI4，DI5，DI6進(jìn)行恒速選擇12.02 250rpm 當(dāng)DI4＝1，DI5＝0，DI6＝0時(shí)，為1檔速度250rpm 12.04 500rpm 當(dāng)DI4＝1，DI5＝1，DI6＝0時(shí)，為2檔速度500rpm 12.07 980rpm 當(dāng)DI4＝0，DI5＝1，DI6＝1時(shí)，為4檔速度980rpm 12.08 750rpm 當(dāng)DI4＝1，DI5＝1，DI6＝1時(shí)，為3檔速度750rpm 14.01 READY 繼電器輸出RO1顯示運(yùn)行準(zhǔn)備好信號(hào)14.02 RUNNING 繼電器輸出RO2顯示變頻器運(yùn)行信號(hào)14.03 FAULT（－1） 繼電器輸出RO3顯示故障取反，故障跳閘時(shí)繼電器失電16.04 DI3 通過數(shù)字輸入DI3實(shí)現(xiàn)故障復(fù)位功能20.05 OFF 解除中間直流母線的過電壓控制，允許制動(dòng)電阻器工作22.01 ACC／DEC 1 使用加速時(shí)間1（22.02）和減速時(shí)間1（22.03）22.02 5S 加速時(shí)間1為5S 22.03 5S 減速時(shí)間1為5S 27.01 ON 激活制動(dòng)斬波器的控制27.03 2.7ohm 制動(dòng)電阻器的電阻值為2.7ohm 27.05 13.5kW 制動(dòng)電阻器允許最大連續(xù)制動(dòng)功率值13.5kW 30.01 NO 當(dāng)模擬量輸入信號(hào)低于最小設(shè)定值時(shí)，ACS800不動(dòng)作30.04 NO 當(dāng)控制盤通訊中斷時(shí)，ACS800不動(dòng)作30.10 FAULT 堵轉(zhuǎn)時(shí)，ACS800故障跳閘30.11 8Hz 堵轉(zhuǎn)頻率為8HZ 30.12 20S 堵轉(zhuǎn)時(shí)間為20S 30.16 FAULT 當(dāng)監(jiān)測(cè)到電機(jī)缺相時(shí)，ACS800故障跳閘30.17 FAULT 當(dāng)ACS800接收不到主給定數(shù)據(jù)及信號(hào)時(shí)故障跳閘

3 結(jié) 語

變頻器調(diào)速系統(tǒng)省去了原電控系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的大功率電阻和可控硅移相系統(tǒng)，降低了維護(hù)量，提高了系統(tǒng)的可靠性。電機(jī)加減速時(shí)間可調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動(dòng)和軟停止，速度變化平滑，使運(yùn)行更加平穩(wěn)。啟動(dòng)及加速過程沖擊電流小，大大地減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

變頻器擁有較強(qiáng)的故障診斷功能，對(duì)變頻器內(nèi)部整流、逆變部分，CPU及外圍通訊與電動(dòng)機(jī)等故障進(jìn)行保護(hù)。變頻器在保護(hù)跳閘后故障復(fù)位前，將一直顯示故障代碼。根據(jù)故障指示代碼確定故障原因，可縮小故障查找范圍，大大減少了維修時(shí)間。變頻器的應(yīng)用不僅節(jié)約了維修經(jīng)費(fèi)還產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

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