羅克韋爾變頻器和控制系統在鑄造吊車(chē)上的應用

摘 要：本文介紹了羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex700S及控制系統在某煉鋼廠(chǎng)200噸鑄造吊車(chē)上的應用，通過(guò)實(shí)際運行檢驗，系統運行良好，穩定可靠，完全滿(mǎn)足客戶(hù)的生產(chǎn)需求。

關(guān)鍵詞：羅克韋爾自動(dòng)化 變頻器 煉鋼廠(chǎng) 鑄造吊車(chē)

1引言

　　鑄造起重機用于冶金行業(yè)，其工作任務(wù)是為冶煉爐運送鋼水。一般有5大機構：主起升，副起升、大車(chē)、主小車(chē)、副小車(chē)機構。由于起重機的位能負荷特性有更為苛刻的安全要求，各機構的大轉動(dòng)慣量、短時(shí)工作、頻繁的起制動(dòng)運行，對調速方案更加苛刻，近十年來(lái)隨著(zhù)直接力矩控制理論的成熟及大功率矢量變頻器的成功制造，使得變頻調速技術(shù)在起重機上得以成功應用。但是，當采用變頻器傳動(dòng)的起升機構拖動(dòng)位能性負載下放或平移機構急減速、順風(fēng)運行時(shí)，異步電動(dòng)機將處于再生發(fā)電狀態(tài)，以往大部分都通過(guò)在中間直流回路設置電阻器，讓連續再生能量通過(guò)電阻器以發(fā)熱的形式消耗掉，這種方式稱(chēng)為動(dòng)力制動(dòng)。本文介紹了采訪(fǎng)羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex 700S變頻器及控制系統在煉鋼廠(chǎng)200噸鑄造吊車(chē)上的應用，同時(shí)由于采用羅克韋爾自動(dòng)化的集成架構控制系統及軟件，設計和調試都變得更簡(jiǎn)單，為用戶(hù)節省了時(shí)間和人力。

2冶金起重機系統簡(jiǎn)介

　　本起重機為“冶金鑄造起重機”，代號為“YZ200/65t-19m A7”。主鉤負荷200噸，副鉤負荷65噸，跨度為19m，為四梁結構，分上下小車(chē)。

　　主起升部分包括兩臺250kW電機，三臺減速機；每一臺電機有兩個(gè)制動(dòng)器，制動(dòng)器形式為液壓推桿式；此主起升機構的減速機為冶金鑄造用棘輪棘爪減速機，兩臺電機輸出到棘輪棘爪減速機，再通過(guò)棘輪棘爪減速機輸出到兩臺普通減速機，通過(guò)兩臺普通減速機控制兩臺鋼絲繩卷筒，每個(gè)卷筒上安裝兩根鋼絲繩，總計四根，通過(guò)四根鋼絲繩帶動(dòng)下面的吊具（吊鋼包的板鉤）。副起升為一臺160kW電機驅動(dòng)，利用兩臺液壓推桿減速機進(jìn)行制動(dòng)。

　　主小車(chē)部分為兩臺22kW電機分別驅動(dòng)兩邊的減速機以帶動(dòng)車(chē)輪旋轉，通過(guò)每臺電機一個(gè)液壓推桿制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。副小車(chē)運行電機為一臺15kW電機帶動(dòng)一臺減速機進(jìn)行驅動(dòng)兩邊的車(chē)輪進(jìn)行工作，通過(guò)一個(gè)制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。大車(chē)部分為四角四臺45kW電機分別驅動(dòng)四臺減速機，帶動(dòng)各部分的車(chē)輪進(jìn)行工作，每個(gè)電機上面一臺制動(dòng)器。

3羅克韋爾自動(dòng)化PowerFlex 700S變頻器

　　PowerFlex700S是羅克韋爾自動(dòng)化公司推出的高性能系統型變頻器，它采用書(shū)本式結構設計，零間距安裝（Zero Stacking?)，大大減少了變頻器安裝空間，從而節省大量的盤(pán)柜安裝空間，節約成套成本和安裝成本。內置了輸入EMC濾波器，直流母線(xiàn)電抗器和輸出共模濾波器，同時(shí)160kW以下變頻器內置了制動(dòng)單元，大大方便了用戶(hù)的選型。因現場(chǎng)故障而需更換變頻器時(shí)，PowerFlex700S的可插拔控制端子排可以幫助客戶(hù)輕而易舉地恢復控制線(xiàn)路。虛擬背板概念使得程序具有可移植其他Logix平臺的能力，實(shí)現NetLinx?體系結構的無(wú)縫集成和直接通訊驅動(dòng)。

　　PowerFlex 700S采用是自有專(zhuān)利的、FORCE^TM磁通矢量控制技術(shù)，加上速度閉環(huán)控制，確保負載始終處于受控狀態(tài)。PowerFlex 700S具有TorqProve^TM力矩校驗功能，TorqProve^TM確保停車(chē)后機械報閘可靠的控制負載，和當收到運行命令，機械抱閘打開(kāi)時(shí)變頻器能控制負載；TorqProve^TM and Force Technology^TM幫助消除人們對V/F標量型、傳統矢量型變頻器在抱閘時(shí)控制的不定因素的擔憂(yōu)，并可以解決起重應用中的關(guān)鍵問(wèn)題：

（1）溜鉤保護

　　當負載移動(dòng)停止，機械抱閘閉合，變頻器將斜坡降低輸出轉矩，同時(shí)監測編碼器反饋，確認負載被控制。如果監測到編碼器反饋有變化(溜鉤)，變頻器會(huì )馬上增加輸出轉矩，重新控制負載，按照預先設定的速度下放負載。變頻器會(huì )重復以上的周期，直到抱閘能控制負載或負載安全下放到地面。

（2）速度偏離保護（失速保護）

　　變頻器會(huì )連續的監測速度命令和速度反饋，比較其偏差，如果偏差超出所允許的范圍，那么變頻器將變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時(shí)，抱閘投入工作。

（3）輸出缺相保護

　　三相輸出接線(xiàn)端被監測，確保輸出每有缺相。一旦TorqProve 使能，這項功能不能被屏閉。

（4）編碼器丟失

　　變頻器會(huì )連續的監測編碼器反饋，確保編碼器工作正常。只要出現編碼器丟失變頻器馬上變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，同時(shí)，抱閘投入工作。一旦TorqProve使能，這項功能必需使能.

（5）基于負載大小的速度限制

　　允許高于基速運行（輕載時(shí)更快運行）；在基速時(shí)測量負載大小，若低于額定負載，則可超速。

PowerFlex 700S變頻器的力矩校驗時(shí)序圖如圖1所示。

以上所有的時(shí)間設置的分辯率為0.1秒

圖1 力矩校驗時(shí)序圖

4冶金起重機系統控制方案

　　本系統全部采用羅克韋爾自動(dòng)化公司生產(chǎn)的PowerFlex 700S變頻器，它采用Force^TM磁通矢量控制方式。這種控制方式采用實(shí)時(shí)計算的電動(dòng)機轉矩和轉速構成轉矩轉速雙閉環(huán)系統，其動(dòng)、靜態(tài)精度高（速度控制精度高達±0.001%，轉矩控制精度高達±2%）；在轉矩響應方面，比非Force^TM控制方式變頻器快許多（轉矩響應響應時(shí)間≤5ms），并克服了傳統調速系統和轉矩開(kāi)環(huán)變頻器低速段輸出轉矩不足的問(wèn)題，其零速轉矩可達200%。這些特點(diǎn)充分保證了位能性負載的要求。

　　系統具體配置如下：大車(chē)行走機構采用兩臺變頻器，分別驅動(dòng)一臺電動(dòng)機。其中一臺為主機，另一臺為從機。利用主從應用軟件，保證兩臺電動(dòng)機的速度同步和負荷平衡，防止大梁扭動(dòng)和啃軌。小車(chē)機構變頻器采用一臺變頻器。主起升機構和副起升機構，分別采用一臺變頻器，并分別采用一臺光電編碼器，做速度反饋和控制檢測用。系統采用能耗制動(dòng)的方式將連續再生能量消耗點(diǎn)實(shí)現制動(dòng)。所有變頻器配有各類(lèi)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)接口。大車(chē)和小車(chē)的控制系統圖如圖2所示，主鉤和副鉤的控制系統圖如圖3所示。

圖2 大車(chē)和小車(chē)的控制系統圖

圖3 主鉤和副鉤的控制系統圖

　　兩臺主起升變頻器采用主從方式，通過(guò)光纖通訊方式傳遞力矩信號，采用力矩跟隨的方法保證兩臺電機出力均勻。采用力矩跟隨方式作負荷分配具有力矩分配精度高、動(dòng)態(tài)響應快、調速范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。力矩跟隨方式示意圖如圖4所示。

圖4 力矩跟隨方式示意圖

　　本系統采用Compact Logix作為核心控制器，采用工業(yè)控制現場(chǎng)總線(xiàn)，將PLC、遠程I/O、各機構變頻器、觸摸屏聯(lián)結起來(lái)，減少電纜投資，減少接線(xiàn)和維護工作量，減少故障點(diǎn)。遠程I/O和觸摸屏安裝于司機室。接受操作人員的指令，顯示系統各種工況信息，以利于操作人員監視、操作和方便維護人員故障診斷與維修。PLC安裝于控制柜內。接收現場(chǎng)檢測器件的狀態(tài)信息、變頻器等狀態(tài)信息，控制系統運行。PLC控制柜、變頻控制柜，以及電阻制動(dòng)柜安放在大梁上。

5結束語(yǔ)

　　本系統采用采用羅克韋爾自動(dòng)化公司的Compact Logix作為核心控制器，與PowerFlex 700S高性能系統型變頻器一起組成一個(gè)高可靠性的系統，該冶金鑄造起重機經(jīng)一次調試成功，整機設備運行良好，完全能夠滿(mǎn)足客戶(hù)的生產(chǎn)需求。目前，此系統在實(shí)際工作環(huán)境中運行良好，十分穩定。