Yaskawa H5系列变频器在港口起重机自控系统中的应用.pdf

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主要介绍安川的ClMRH5系列变频器在港口起重机械起升机构自控系统中的应用。港口起重机系统使用安川CP一317 PI.C系列与安川变频
孙玉旺: Yaskawa H5系列变频器在港口起重机自控系统中的应用 电气传动2008年第38卷第8期 成,通常有两种方法来释放从负载反馈的能量, 可编程控制器与变频器相互协调来完成起重机的 种是耗能方式,即在直流母线上串接大功率制动平稳控制 电阻,当电机侧反馈的能量通过变频器转化为电 能,反映在直流母线上即为母线电压的升高,这时 215通讯 电气房 到武副到到武 主机构控制 用于控制制动电阻的制动单元模块就会把制动电 CP317 阻连入直流母线,因为制动电阻的阻值非常小,在 。|8|8|8|88 限位信号 主cPU 非常短的时间内可以完成一次放电过程,把电能 司机室Io 转化为热能消耗在制动电阻上。 型到到到到 限位信号 另一种途径是回馈式,通过逆变器,把直流母 餐要铿铡数要 。gg 线上的能量回馈到电网中,这种方式相对于耗能 柄,按钮 216通讯 方式,最大的优点就是节能,而且降低了对安装环 各辅助 机构控制 境的要求。在常规的由电压型逆变器组成的交流 VS-676H5 VS-676HS 电动机驱动系统中,为实现电动机的4象限运行, 起升车 起升/大车 vs-676H5 1变频器 2变频器 小车变频器 必须在逆变器直流侧加装耗能或馈能装置,主要 是由于常规的电压型逆变器交流电动机驱动系统 采用了交直-交拓扑结构,如图2所示。 大车 小车、PG ●起升 50H 电机 码器 晶闸管整流 逆变器 图3电控系统示意图 图2交-直-交控制图 Fig 3 The schematic of electric control system Fig 2 AC-DC-AC control diagram 1)变频专用电动机2台,型号为安川BDK 采用PWM整流器不仅可实现交流电动机的KMU,功率600kW,4P,CONT,750/1800r· 4象限运行,以及网侧单位功率因数正弦波电流 C310/420V,1005/1320A 控制,还可使直流侧获得足够且稳定的直流电压, 2)起升电机的冷却风机2台,型号为安川 从而改善了电动机的驱动性能。另一方面,通过FELF-5,功率5.5kW,AC380V。 引入适当的控制策略,还可以大大减少直流侧电 3)起升制动器分为高速4个和低速2个制动 容的电容量,提高装置运行可靠性。 器,型号为高速 ZPMC YP41-4500-800X30, PWM整流器已不是传统意义上的AC/DC380V;低速 ZPMC SBE365,380V 变换器。由于电能的双向传输,当PWM整流器 4)起升变频器柜2台,内置 YASKAWA全 从电网吸取电能时,其运行于整流工作状态;当数字式交流变频器CIMR-H5DE800,800kW PWM整流器向电网传输电能时,其运行于有源2套。 逆变工作状态。所谓功率因数是指:当PWM整 5)编码器4个,其中2个相对编码器型号为: 流器运行于整流状态时,网侧电压、电流同相(正安川LF-60B-S89A。另外2个绝对值编码器型 阻特性);当PWM整流器运行于有源逆变状态号为欧姆龙MRE-G64SP062FBC 时,其网侧电压电流反相(负阻特性)。 6)起重机为改善功率因数和减少能源消耗采 根据交流变频控制系统的优点,从技术性能作用2套交流电抗器,型号为安川EPJ615540,400 业效率维护上考虑,用整流器为变频器提供稳定的V,800kW。 直流电源克服码头电压不稳定因素,并节约能源 7)起升主令型号为安川MKLC-03ER HP6/EG6P-AG5C-8。 2系统控制方案 8)PLC配置。我公司采用日本 YASKAWA 2.165t起重机起升机构控制系统主要硬件设备(安川)公司的全系列专用港机PLC中CP-317 本系统控制流程如图3所示,其中主要采用系列可编程控制器 电气传动2008年第38卷第8期 孙玉旺: Yaskawa H5系列变频器在港口起重机自控系统中的应用 CP-317/CPU-0IE 2)岸桥通过司机室主令手柄对起升机构、俯 CP-316H/215 仰机构、小车机构、大车机构进行控制。调速是通 CPU-OIE 过输入主令控制器给信号,由PC程序传送频率 PLC POWER MODULE 数据给模拟量输入输出模块,经D/A数模转换将 CP-317/PS-01AC100V JRMSP-PS22AV 0~10V的模拟量输入变频器A1-AC端,变频 JRMSP-PSO1 器频率指令参数b1-01=1,从而达到控制变频 JRMSP-120CPS11100 器的频率即电动机的转速,且可实时检测变频器 IF CARD 力矩及转速信号。上升、下降均具有档速度,采用 CP-317/2151F 液压制动器控制。变频器的基本参数可根据电机 CP-317/2161F 及现场的具体情况设定 CP-317/217F 以起升机构为例:司机通过起升手柄(MKLC I/O MODULE JAMSC-120CRR 11200 03ER-HP6/EG6P-AG5C-8)以脉冲编码器和 JAMSC-120DDO35410 凸轮对安川PLC发出指令,再由安川PLC对起 JAMSC-120DRA 84300 升变频器( YASKAWA全数字式交流变频器CI JAMSC-120DAI 54300 JAMSO-120AV()01100 MR-H5DE800)发出指令来控制岸桥的起升机 JAMSC-120C BE37000 JAMSC-DDI36400 构,再由变频器直接驱动起升电机(安川BDK JAMSC-120DnX)36410 IKMU,功率600kW,4P,CONT,750/1800rmin JAMSO-120D35400 AC310/420V,1005/1320A),在电机侧有测速编 JAMSC-B2505AV JAMSC-B2914AV 码器把速度信号与手柄给定速度信号进行比较, JAMSC-B2603AV □AMSC=P2504AV 保证速度的准确性 JAMSC-B2605AV 夲系统采用闭环矢量控制有着可靠性与优越性 JAMSC-B2742AV CP-317/AO-01 2.3系统运行方式 CP-317/AI-01 本系统设有不同的程序段,在进行不同机构 CP-816RI-05 运行时调用不同的程序段,在每个程序段设有故 215R10R 故障显示人机界面Pro-face 障代码,对相应故障进行记录,如图5所示。 GP-2301-LG11-24V 开始 紧停? GP-2501-TC11 复位? 2.2系统方框图 故障解除 系统方框图如图4所示 故障 PG编码器 大车行走? 调用大车程序 故障 故障显示人 标志 机交互界面 变频器 起升电机 小车行走 调用小车程序 主令控制器 俯仰运行? 调用俯仰程序 升降运行 调用升降程序 图4系统方框图 Fig 4 System block diagram Y 故鳞标击>「两用故障程序 1)故障显示人机交互界面。此交互界面主要 显示岸桥的主要故障代码,通过故障代码可以更 FEND 加有效地提高维修速度。此系统通过安川CP 316H模块与工控机和GP控制屏(GP-2301 图5系统运行方框图 LG41-24V)进行连接 Fig 5 System operating block diagram 孙玉旺: Yaskawa H5系列变频器在港口起重机自控系统中的应用 电气传动2008年第38卷第8期 3控制系统特点及优越性 其中异步电机变频调速具有调速范围广、平 滑性较高、机械特性较硬的优点,可以方便地实现 3.1系统特点 恒转矩和恒功率调速,整个调速特性与直流电机 1)港口起重机械起升机构的主要技术参数有调压和弱磁调速十分相似,并可与直流调速媲美。 最大起升重量和起升速度,它们直接影响整机的其机械特征硬度仍能保持它的机械特性,如图7 起吊能力及装卸效率。根据式(2)和式(4)获取所所示。 需要的转矩与转速,可以人为改变电动机外加电 压频率和转子绕组电阻等有关参数。但是通常 采用转子串接电阻逐级切除方法来提高异步电动 机的启动性能。其串电阻调速的机械曲线如图6 所示 △n f2 RyR>RA R2 0 M 图7变频调速的机械曲线 0s=1 M. Mmar M Fig. 7 The machinery curve of frequency control 图6串电阻调速的机械曲线 3)安川专用起升电机与普通变频电机相比, Fig. 6 Machinery curve of series resistance speed regulate 有其优越性。 这种方法可以减小转子的启动电流,提高电 ①适应码头工作环境。起重机起升机构的负 机的启动转矩,具有一定的调速性能。但从图6荷特点是启动时间短(1~3s),只占等速运动时 中可知其曲线随串接电阻变大,其稳定工作区斜间的较少比例;转动惯量较少,占额定起升转矩的 率也越大,调速特性越软。另其所需要的设备多, 10%~20%;电机为断续工作制,通常接电持续率 结构复杂运行中维护量也比较大,故障率相应在60%以下;负载多为大惯量系统;电机在额定 较高。 转速下接近满载运行,且能承受电网电压的波动 2)本系统将PLC技术与变频器技术相结合 对每小时作20多个循环的起重机来讲,选用普通 采用矢量控制,极大地提高了系统性能,成为生产异步电机无法适应上述工况,安川专用电机不但 控制的坚实基础。 可适应上述问题,而且可使机构运行平稳。安川 本公司采用安川 YASKAWA系列的CIMR-电机与变频器配合,在调速比为1:20的范围内, H5DE800,800kW变频器,电机自带编码器和变能确保安川电机有150%的过载力矩值。②电机 频器PG卡相连,对交流电机矢量控制。系统所效率提高。安川为4极电机,其为变频电机首选 带的制动单元可以承受150%的负载。并可把制极数,因此时电机有最好的功率因数和最高的工 动时产生的能量反馈回电网。 作效率,使能耗降为最低。高速电机比低速电机 矢量控制是根据交流电动机的动态数学模在电流小、功率因数高电缆截面小及电器配置容 型,利用坐标变换手段,将电机的定子电流分解成量小等方面占有优势。尽管减速器传动比增大造 磁场分量电流和转矩分量电流,通过对一次定子成了减速器体积的增大,但由于硬齿减速器的应 电流的大小频率及相位进行适当的控制,可实现用,新塑耐磨齿轮及焊接箱体的使用为高速电机 矢量分解及控制。 驱动创造了条件。 起升机构的平稳速度是由变频器将交流电机32系统的优越性 通过坐标轴把转子磁链定向的同步旋转坐标系上 1)动态的高速响应。角速度、定子电流Ⅰ和 等效成直流电机,从而模仿直流电机进行控制。转矩T的跟踪性能良好,响应时间在100ms以内 主要控制速度信号偏差来控制力矩。这种控制具 2)低频转矩增大。由于矢量控制变频器能保 有很好的响应和稳定性 持磁通恒定转矩与I呈线性关系故在极低频时 79 电气传动2008年第38卷第8期 孙玉旺: Yaskawa h5系列变频器在港口起重机自控系统中的应用 也能使电动机的转矩高于额定转矩,甚至在1Hz定、生产效率高、降低维修成本、减轻工人的劳动 时,电机也能输出150%额定转矩 强度起着重要作用,取得了较好的经济效益和社 )控制的灵活性。在系统内用不同的函数发会效益。 生器作为磁通调节器即可获得他励或串励直流电 参考文獻 动机的机械特性 4)调速比可达1:50,且启动停止具有极高1]顾战松.可编程控制器原理与应用[M].北京国防工业出 的平稳性 版社,1996 5)节能效果显著。在矢量控制中控制滑差频 2]李士濒.现代港口机械技术[M].北京:人民交通出版社, 1995 率使电机效率达到最高 [3]窦振中.模糊控制逻辑技术及其应用[M].北京:北京航天 6)实施零速抱闸。可以全速受控减少抱闸闭 航空大学出版社,1997 合时的振动及抱闸磨损 [4]蒋国仁.岸边集装箱起重机[M].武汉:湖北科学技术出版 7)简化了电控系统,省去大量接触器、继电 社,2001 器,减低了故障率,使得系统更加稳定 [5]满永奎通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社, 8)本控制系统由于在码头使用,所以在控制 199 柜和电机内装有除霜器,以防止设备的损害,另外 [6]许大中交流电动机调速理论[M].杭州:浙江大学出版社, 在控制柜所在房间加装有空调,保障温度时刻在 1991. [7] In G J. Verschoof Cranes-designEM] Practice and Ma Inte 常温。 nance Professional Engineering Publishing Limited, 1999 4结论 8 YASKAWA.Ⅴ varispeed H5使用说明书[Z].1999 [9]冯垛生,张森变频器的应用与维护[M].广州:华南理工大 从应用效果上看,起升机构是港口起重机械 学出版社,2003 中最重要的运行机构,通过采用先进的传感器技10]薛兆沛港口机械电气设备[M]北京:人民交通出版社, 术以及稳定的PLC控制技术,大大提高了整机的 1984 准确性和稳定性,其各项性能均达到要求,系统自 运行以来一直稳定正常。对港口起重装卸的稳 收稿日期:2008-04-0 (上接第47页) 比较图12a与图13可得,两边对称模式下矩阵 Comparison of Control Techniques for AC-AC Matrix 变换器的输人特性较理想,与仿真分析结果相同。 Converters[C]//IEE Proc.-Electr. Power Appl., 1998 145(4):284-294. 4结论 [2]方永丽.矩阵变换器控制策略及其双馈调速控制方法的研 从仿真分析与实验结果可以得出不同的开关 究[D]徐州:中国矿业大学,2006 模式对矩阵变换器的输出特性影响较小,但对输53] Watanabe E, Ishii S, Yamamoto e, et a. High Performance 人特性影响较大。采用两边对称模式下的波形畸 Motor Drive Using Matrix Converter[C]//Advances in In 变率明显小于单边模式和不对称模式。从换流可 duction Motor Control, IEE Seminar, 2000:1-6 靠性角度,尽管单边模式和不对称模式均较两边4马星河,谭国便,方水丽,等矩阵变换器电压法三步换流 对称模式下的可靠性高,但由于窄脉冲不可避免 的研究与设计[].电力电子技术,2007,41(3):47-49 的存在,使得3种模式下都要采用相应的窄脉冲 [5] Holmes D G. The Significance of Zero Space Vector Place 消除和补偿措施,单边模式和不对称模式没有明 ment for Carrier-based PWM Schemes[J]. IEEE Transac- 显的优越性。因而在开关损耗基本相同的情况 tions on Industry Applications, 1996(32): 1122-1129 下,两边对称法是一种理想的开关模式 参考文献 收稿日期:2007-07-09 [1] Zhang L, Watthanasarn C, Shepherd W. Analysis and 修改稿日期:2008-0309 80

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