恒張力變頻式電纜卷筒改造實例分析

鮑遠枝，陸祥

（啟東中遠海運海洋工程有限公司，江蘇 啟東 226251）

1 幾種恒轉矩電纜卷筒的類型和特點

目前船廠各類起重機配備的電纜卷筒據大部分是力矩馬達式、配重力矩式、磁滯式這幾種，每種電纜卷筒的特點見以下分析：

（1）力矩馬達式電纜卷筒：電纜卷筒由力矩馬達驅動，為恒轉矩電纜卷筒。其收電纜時由力矩馬達驅動卷盤正向旋轉，電磁力和旋轉方向相同。放電纜時力矩馬達電磁力和轉子旋轉方向相反，電機處于堵轉狀態，此時會產生較大的熱量。本質上是把電磁力轉換成熱量的一種方式，此熱量需要風機散熱。而大型起重機卷盤很大、電纜很重，若采用力矩馬達式卷筒，能承受的堵轉電流很大，電磁力變成的熱量散發無法及時散發，容易對電纜造成傷害。力矩馬達式電纜卷筒只適合于小型電纜卷筒。

（2）配重式電纜卷筒：此類卷筒結構很簡單，也屬于恒轉矩電纜卷筒。根據電纜長度和重量徐搭配不同的配重。正向驅動時由配重依靠自重下降帶動卷筒正向轉動。反向旋轉時由電纜拉動卷盤反向旋轉。帶動配重上升。為了減小上升和下降距離，必須配套滑輪組和鋼絲繩。如果電纜長度和重量較大情況下，配重的體積和升降距離將會是一個難題。因此配重式電纜卷筒只適合于小型和行走距離較短的工況。

（3）磁滯式電纜卷筒：目前廣泛應用于各類工況電纜卷筒中，其結構只是在驅動馬達和減速器之間增加一個磁滯聯軸器。聯軸器由兩片磁隙較大的永磁鐵和行星減速箱組成。電機的力矩通過磁滯聯軸器傳遞到減速機。磁滯式聯軸器特性較軟。運行時電纜受沖擊較小，有利于保護電纜。每臺磁滯式電纜卷筒可以根據電纜長度和電纜重量配置若干驅動電機和磁滯式聯軸器，應用用范圍比較廣，因此可以適合于各類工況。但是磁滯式聯軸器式靠磁隙來傳遞扭矩的，磁隙縫隙較小。灰塵、垃圾、鐵銹等會導致磁隙堵塞，機械特性變硬，電纜得不到保護，另外永磁鐵的磁力會隨著運行時間而逐漸退化，可能會發生卷不動電纜導致電纜從卷盤中漏出而導致事故發生。

以上幾種電纜卷筒驅動方式均為恒轉矩的驅動方式，在任何時候傳遞到轉盤的轉矩都是相同的。起重機大車在行走時，電源電纜在電纜盤上的半徑是從最小到最大變化的。根據力學平衡方程F=M/R，其中F為電纜所受張力，M為卷盤所受轉矩，R為電纜在盤上半徑。其中轉矩M不變。因此電纜所受拉力和電纜在盤上的半徑成正比，實際上為了在電纜收放和空盤滿盤均能保持電纜盤正常運行，電纜拉力相差很大，運行一段時間以后會導致電纜發生扭曲變成麻花狀，電纜壽命縮短很多。我公司的2臺50100門座機就發生了磁滯式電纜卷筒

2 恒張力變頻式電纜卷筒原理和特點

為消除恒轉矩電纜卷筒對電纜所受拉力變化的缺點，我們必須找到一種電纜拉力基本恒定的電纜卷筒驅動方式。而恒張力變頻式電纜卷筒正是這種我們需要的電纜卷筒。其工作原理是保持電纜所受拉力基本恒定不變，根據力學平衡方程式F=M/R，如要實現拉力不變，則需要卷盤扭矩隨著電纜在卷盤種卷繞的半徑變化而變化。下面分析恒張力變頻電纜卷筒的結構組成和工作原理。

（1）恒張力電纜卷筒結構組成。恒張力變頻電纜卷筒由變頻電動機（內置編碼器、制動器）、齒輪減速器、滑環箱、電纜卷盤、擺動式導纜架和專用變頻器及控制箱等組成。由于采用變頻控制技術，增加了檢測單元和智能化控制系統，從根本上改善了電纜卷繞性能。見圖1。

圖1

變頻電動機為了結構緊湊，提高系統集成度，除了要有合適的變頻驅動特性以外，還要滿足戶外環境的要求IP55的防護要求。同時為了具備更高的可維修性和可靠性。尾部還集成了編碼器、制動器手動手柄等。需要和減速箱搭配輸出合適的力矩。

齒輪減速箱根據實際需要選用合適的減速比，輸出力矩滿足卷筒最大驅動力矩。

根據電壓等級選用10kV高壓滑環箱或380V低壓滑環箱，根據電流可選用單環630A、400A、100A或10A其他電流規格。外殼可選用碳鋼或不銹鋼材質。潮濕是電氣滑環箱的大敵，因此滑環箱的密封性非常重要，由于戶外環境溫差大，容易在內部形成結露。濕度變大會造成絕緣降低發生拉弧短路事故，高壓電纜短路危害性更大。在安裝滑環箱時必須在晴天并做好密封。日常檢查和維護也很重要。我們發現在內部放入干燥劑并定期更換是一個好的辦法。

電纜卷盤和擺動式導纜架：根據電纜的直徑和長度選用合適的電纜卷盤和導覽架。為了適應戶外環境。提高防腐能力，電纜卷盤可以采用表面熱浸鋅工藝。為了便于安裝和運輸，一般大直徑的卷盤（3m以上）建議采用拼裝式。導纜架要一定要選用彎曲半徑大的，防止對電纜造成傷害。導覽架上應該安裝有導向限位開關，過松、過緊開關等，配合控制系統輸出正確的控制型號和保護電纜。

控制箱用于安裝變頻器和控制元件等，能從電纜卷筒取得大車行走方向信號、卷繞半徑、拉力是否正常范圍內等信號。向變頻電動機和制動器輸出控制信號，達到和整機協同控制的目的。遇到緊急情況可以立即停止運行，防止發生事故。在控制箱上還裝設了手動控制系統，用于安裝調試和維修，非常方便。

（2）卷盤傳動方式：變頻電動機→齒輪減速器→卷盤。

（3）收放藍和大車行走同步原理：收纜同步：電纜卷筒匹配的電動機、減速器在卷盤內徑收纜時的線速度仍高于大車最快運行速度，從而保證卷盤能及時主動同步收卷電纜；放纜同步：放纜時電機仍輸出收卷轉距，在電纜的拖拽下，卷盤被動同步放出電纜，此時作用在電纜上的向上拉力仍大于電纜重力，保證電纜不會滑出，此時相當于力矩式馬達電纜卷筒但是轉矩是隨電纜卷繞半徑變化的。

（4）變頻器系統原理和控制方式。變頻電纜卷筒的控制系統由張力控制專用變頻器、變頻電機、各類檢測單元等組成，使電纜在整個卷繞和換向過程中所受拉力基本恒定。整個控制系統的核心是模塊化高性能專用變頻器，無需PLC來進行處理數據，其出色的矢量控制性能和良好的可靠性，保證了電纜卷筒在大行程起重機上運行的穩定性，內置恒張力控制系統，用戶可根據實際需要調整張力的大小，變頻器本身可通過厚度積分計算卷徑；針對電纜卷筒對變頻器的要求，變頻器必須工作在閉環矢量狀態，選擇開環轉矩模式，即張力控制模式（詳見圖2）。

圖2

張力控制專用變頻器的開環轉矩控制模式，開環是指沒有張力反饋信號，變頻器僅靠控制輸出頻率或轉矩即可達到控制目的，與開環矢量或閉環矢量無關。轉矩控制模式是指變頻器控制的是電機的轉矩，而不是頻率，輸出頻率是跟隨電纜的速度自動變化。根據公式F=M/R（其中F為電纜張力，M為收卷軸的扭矩，R為收卷的半徑），可看出，如果能根據卷徑的變化調整收卷軸的轉矩，就可以控制電纜上的張力，這就是開環轉矩模式控制張力的根據，其可行性還有一個原因是電纜上的張力只來源于收卷軸的轉矩，收卷軸的轉矩主要作用于電纜上。

與開環轉距模式有關的功能模塊：

①張力設定部分：根據最大懸垂長度電。

纜重量設定張力，并可設定張力錐度控制張力隨著卷徑增加而減少。

②卷徑計算部分：通過電纜厚度累計計算卷徑變化，這是控制計算的核心部分，通過編碼器和電纜卷繞次數計算得出半徑數據。通過卷盤上電纜半徑的改變而改變輸出力矩，從而達到成比例變轉矩的目的。

③轉距補償部分：變頻器中關于慣量補償部分可以通過適當的參數設置自動地根據加減速率進行轉距補償，使系統在加減速過程中仍獲得穩定的張力。摩擦補償可以克服系統阻力對張力產生的影響。

3 選擇恒張力專用變頻器控制電纜卷筒的優勢

（1）控制系統簡單，無需PLC進行數據處理，在日常維修過程中省去繁瑣的檢查過程。

（2）保護完善，在擺動式導覽架上增設過松、過緊限位，控制大車行走速度，防止電纜拉傷。

（3）變扭矩控制，通過計圈信號檢測，動態對電動機的給定力矩進行調整，達到恒張力的目的。通過電纜直徑，卷盤直徑，減速箱減速比，電纜厚度等參數的綜合運算，達到精細控制。

（4）維護方便：原有磁滯電纜卷筒有4個驅動電機和減速箱。故障率高，經常需要維修。更換成變頻驅動以后，幾乎不需要維修。而且現場可以手動控制，對于判別故障原因有很大幫助。維修人員的勞動強度大大減輕。

4 改造以后取得效果

啟東中遠海運海洋工程公司是國內領先的大型海洋工程建造基地。海洋工程建造計劃對工期要求非常嚴格。海工船塢兩側的2臺50100門座式起重機是最繁忙的兩臺起重機，如發生故障對生產計劃影響很大。這2臺門機原先采用磁滯式電纜卷筒，已經運行了10年左右，但是每兩年不到電纜就會因為拉力不均而扭曲成麻花狀，有短路風險，必須及時更換成新電纜。由于電纜規格是3×150+1×70，重量比較大。每次更換電纜需要6個工人連續工作一天以上才能完成。更換電纜總成本約10萬元/年（含材料費、人工費、機械費、停機損失費等）。另外，磁滯式電纜卷筒的故障率也較高，連續性生產經常被打斷，對海洋工程的工期影響非常大。在改造成恒張力變頻控制電纜卷筒以后，電纜的所受拉力基本上保持恒定，電纜的壽命可以達到10年以上，電纜或電纜卷筒故障造成的不正常停機減少，工人維修強度降低很多，明顯提高了生產效率。是一個非常成功的技術改造案例，值得在各船廠推廣使用。