艾默生CT大功率TD3000在抓斗行车上的应用

一、前言
        行车是工业现场常用装备，用来实现货物在三维空间中的转运。其中水平面两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统；垂直方向的运动则由起升机构负责。大多数的行车通过钓钩与被运物体相连，当被运物体为粉状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗行车。该类行车在提升部分一般均配置两台电机，专门负责升降运动的电机称为主卷电机，另一台称为闭合电机，除了负责抓斗的打开和闭合（丢料和抓料）外，还将配合主卷电机一起出力进行升降运动。
        重钢烧结厂现有抓斗行车均为串级调速加继电器/接触器控制方式，故障率高，维护费用及时间均很大，给生产造成不良影响，为此需对其技术改造，而采用变频调速技术是解决上述问题的关键，现以其3#行车技术改造为例介绍有关情况。
二、电气系统配置
提升/抓斗部分系统改造原理图
  
行车系统机械参数
载重量（含抓斗自重）：20吨 起升高度：25.6米 跨度：31.5米
大车电机： 2* 15KW 小车电机：7.5KW
主卷电机:： 90KW 闭合电机：90KW
·行走系统改造配置
大、小车分别选用EMERSON 公司EV2000-4T0300G和EV2000-4T0011G各一台，分别配置15kw、30kw制动组件各一套，以消耗停车时返回变频器的能量。由于较为简单，本文不详细描述。
·主卷/闭合变频器
        对于提升所需变频器，必须选用高性能矢量控制变频器，这里选用了爱默生TD3000-4T1320G两台，分别控制主卷电机和闭合电机，考虑到系统的长期使用以及可能出现的超载情况，在变频器选型方面我们相对电机功率放大2档。由于抓斗上升和下降是由主卷电机和闭合电机共同出力完成，而且在抓料操作时，为了尽可能多抓料，必须使用“点动降”使主卷钢绳保持松弛，因此，当抓料完成时，主卷钢绳是松弛的。若两台变频器都为速度控制方式，则不能解决主卷钢绳和闭合钢绳的受力平衡问题，容易导致闭合电机、闭合变频器、闭合钢绳过载，因此要解决好上述问题，主卷变频器必须支持速度/转矩控制在线切换功能，而且闭合电机用变频器必须有转矩输出功能，两者通过逻辑有效配合方可完成。
·速度反馈（编码器）
        为了更好的实现空中起车和转矩控制功能，本次改造选用配套编码器，型号为E80H型，线数512P/R，编码器与电机轴的连接采用轴套式安装，这种配置可以充分利用TD3000 变频器 0速200%的力矩以及内置的零伺服功能，确保消除启/停时的“溜钩”现象
·制动单元和制动电阻
        抓斗下降过程中，电机处于发电状态，再生能量将导致变频器的直流母线电压上升到危险电压，因此制动组件是必须选配的。经验表明，制动组件配置容量应该相对于变频器容量适当放大，具体情况与行车起升高度、制动单元的最大制动使用率、电机和变频器的配置余量以及制动电阻散热条件等环境因素有关。由于抓斗下降是可能持续较长时间的过程，我们选用的TD3000配套制动组件，该制动组件具备100%ED的制动能力，
·PLC
本系统中选用了PLC来实现整个系统的逻辑控制，主要功能如下：
1.变频器启/停控制；
2.控制抱闸，保证电机轴停止时抱闸才抱住，既不提前，也不延后；
3.主卷变频器控制方式切换（速度控制/力矩控制）。
4.系统安全连锁功能
a)行车上各个进出口的门以及操作室的门在打开状态下，禁止操作。
b)大、小车轨道两端设限位开关限制车体超越。
c)冲顶限位。
d)各操作手柄未处于零位置时，上电被禁止。
e)主卷和闭合变频器中任意一台变频器报故障时，两台变频器均立即停止输出（自由停车），同时抱闸合闸。
f)任何时刻断电，系统将立即停止，抱闸合闸。PLC故障时，各操作命令无效（PLC无输出），这时，抱闸闭合，行车处于安全停止状态。但不排除PLC误输出松闸信号，虽然这种概率极小，一旦出现这种情况，司机可按“急停”按钮，切断控制电源，使抱闸闭合。
系统原理图见图一。
三、参数设置
主卷和闭合用变频器参数如下：
3#抓斗行车变频器主要参数表
主卷 闭合
参数号 设定值 说明 参数号 设定值 说明
F0.02 1 闭环矢量 F0.02 1 闭环矢量
F0.04 40 运行频率 F0.04 40 运行频率
F0.05 1 端子控制 F0.05 1 端子控制
F0.08 42.5 上限频率 F0.08 42.5 上限频率
F0.10 2 加速时间(秒) F0.10 2 加速时间(秒)
F0.11 2.5 减速时间(秒) F0.11 2.5 减速时间(秒)
F1.01 90 额定功率(KW) F1.01 90 额定功率(KW)
F1.02 380 额定电压(V) F1.02 380 额定电压(V)
F1.03 183 额定电流(A) F1.03 183 额定电流(A)
F1.05 585 额定转速(RPM) F1.05 585 额定转速(RPM)
F1.11 0.048 定子电阻(Ω) F1.11 0.047 定子电阻(Ω)
F1.12 7.6 定子电感(MH) F1.12 7.9 定子电感(MH)
F1.13 0.029 转子电阻(Ω) F1.13 0.032 转子电阻(Ω)
F1.14 7.6 转子电感(MH) F1.14 7.9 转子电感(MH)
F1.15 7.3 互感(MH) F1.15 7.5 互感(MH)
F1.16 90.7 空载电流(A) F1.16 88.2 空载电流(A)
F3.00 1.5 P1 F3.00 1.5 P1
F3.01 1.5 I1 F3.01 1 I1
F3.02 2.5 P2 F3.02 2.5 P2
F3.03 0.5 I2 F3.03 0.5 I2
F3.07 160 电动转矩限定 F3.07 160 电动转矩限定
F3.08 160 制动转矩限定 F3.08 160 制动转矩限定
F5.05 32 X5速度/转矩控制切换 F5.11 5 PA/PC速度高于信号
F5.11 5 PA/PC速度高于信号 F5.15 14 FDT电平
F5.15 12 FDT电平 F6.08 4 AO1输出转矩指令电流
F6.03 0.012 模入滤波时间(S) F6.10 -90 AO1零偏
FA.03 1 风机一直运行 F6.11 1.8 AO1增益
FB.00 512 编码器线数 FA.03 1 风机一直运行
FB.04 5 零速检测值(RPM) FB.00 512 编码器线数
FD.00 9 仅显示运行频率和电流 FB.04 5 零速检测值(RPM)
FD.00 9
·仅显示运行频率和电流
         为保证提升的平稳性，合理选择加减速方式是非常必要的，实践证明选用S曲线启停方式非常适合提升，即：电机刚启动时以极低速度运行一段时间，其间加速度也较小，然后再以与加速时间相对应的加速度将电机速度提高，接近设定速度时再以较小加速度运行至设定值。减速过程与加速过程类似。这种方式可有效地减小电机启/停时的冲击电流。
四、总结
        抓斗行车变频改造后，很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题，软启软停方式大大降低了起制动时的冲击电流，再加上变频器本身具有完善灵敏保护功能，极大地提高了行车运行的可靠性，延长了系统的使用寿命。以下为改造后的有关数据：（以一年前改造的三台行车为例）
钢丝绳消耗仅为改造前的20%；
电机从未烧坏，改造前为平均1台/月；
其它低压电器及机械设备的寿命也得大大提高；
总维护成本为改造前的10~15%；
实际运行中，主卷和闭合电机二者的运行电流相差仅3A左右，出力均衡度极高，证明TD3000确实是优秀高性能矢量控制型变频器
以下是新老系统的各项对比：
抓斗行车新老系统对比
项目 老系统 新系统
主要控制手段 串级调速，继电器-接触器硬件逻辑 变频调速，PLC软件逻辑
调速性能 有级，且调速范围小 无级
速度控制 开环，精度低 闭环，精度高
最低运行频率 较高频率 可到0Hz
起/制动冲击电流 直接投高速档时，7Ie 2Ie
钢绳受力平衡功能 无 有，且精度非常高
控制元件可靠性 继电器-接触器，低 PLC，高
控制元件寿命 继电器-接触器，低 PLC，高
故障率 高 低
维护技术要求 高 低
维护成本 高 低
综合产能 低 高