台达VE系列变频器在桥式起重机上的应用

摘要：本文主要介绍桥式起重机的负载特性，以及台达VE系列变频器运用在桥式起重机上的技术。关键词：桥式起重机 变频器 台达1 引言　　桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，俗称天车，广泛地应用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。普通桥式起重机一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。起重小车又由起升机构、小车运行机构和小车架三部分组成，参见图1。　　起重机电动运行机构的驱动方式可分为两大类：一类为集中驱动，即用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮；另一类为独立驱动，即两边的主动车轮各用一台电动机驱动。中小型桥式起重机较多采用制动器、减速器和电动机组合成一体的“三合一”驱动方式，大起重量的普通桥式起重机为便于安装和调整，驱动装置常采用万向联轴器。　　电动运行机构由三个基本独立的拖动系统组成。①大车拖动系统：拖动整台起重机顺着车间做“横向”运动（以操作者的坐向为准）。②小车拖动系统：拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动。③吊钩拖动系统：拖动重物作吊起或放下的上下运动。　　相对于提升机构控制，桥式起重机在大车拖动以及小车拖动方面对于变频器的控制要求比较低，所以本文重点介绍台达VE系列变频器在提升机构控制上的应用。提升机构的运转具有大惯性，四象限运行的特点，与其他传动机械相比，对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求。台达VE系列变频器是专为起重机类负载而设计的变频器，具有如下特点：①具有全程矢量控制。在1HZ的低频下，即使无速度反馈环节，也能提供150%额定转矩的启动力矩。②四象限运行。可配置制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。③恒转矩特性。在全速范围内，具有恒转矩特性。
图1 桥式起重机结构 2 VE变频器在提升机构上的应用设计　　为了确保设计条件，项目对于台达VE系列变频器起重机工程适用性进行实际测试。测试地点为株洲某专业生产起重设备的工厂。测试配置：电机型号为YZR200L-8（绕线电机），功率15Kw，额定数入电压380V，额定输入电流34.6A，电机极数8极，额定频率为50HZ，额定转速为712rpm，无编码器。抱闸采取电磁阀方式，使用3相380V电源控制。考虑到以后超负荷运行的可能，以及长期运行的稳定性，选用台达VFD220V43A-2变频器做测试。2.1主电路设计　　由于台达变频器功率大于11KW型号等级无内置刹车单元，所以选配外置推荐刹车单元VFDB4030一台。刹车电阻说明书上标配型号为4800W/27.2欧姆，考虑到刹车性能以及天气炎热时电阻的散热性能，刹车电阻规格的选择原则有两个方面的依据：等效电阻值保持在推荐最小电阻值，功率选择为推荐功率的2倍左右。由于手头上有BR1K5W040(1500W/40欧姆)规格现货，所以选择12根BR1K5W040规格的电阻，通过串并联连接，其等效电阻为30欧姆，等效功率为18KW。实际连接示意图如图2所示。VE系列变频器电气接线图参见图3。
图2外置刹车单元VFDB4030电原理图
图3 VE系列变频器电气接线 2.2变频器SVC控制方式　　无速度传感器矢量控制（也称为SVC控制方式，sensorless VC）可以获得接近闭环控制的性能，同时省去了速度传感器，具有较低的维护成本。与传统V/Hz控制比较，无速度传感器矢量控制可以获得改进的低速运行特性，变负载下的速度调节能力亦得到改善，同时还可获得高的起动转矩，这在高摩擦与惯性负载的起动中有明显的优势。正是由于这些驱动特性，该控制技术已逐渐成为通用恒转矩驱动应用的选择。　　台达VE系列变频器提供SVC控制方式，能够很好的满足起重设备上启动时需要满负载（甚至是过负载，通常运行时间很短）运行。SVC控制方式从基本原理上讲能够获得优异的动静态特性，但是前提是获得准确地电机参数。VE变频器涉及到电机的相关参数参见表1。表1 VE变频器电机相关参数参数条码 参数含义说明01-01 电机额定频率01-02 电机额定电压05-01 电机满载电流05-02 电机额定功率05-03 电机额定转速05-04 电机极数05-05 电机无载电流05-06 电机参数Rs05-07 电机参数Rr05-08 电机参数Lm05-09 电机参数Lx2.3 报闸时序控制　　在起重设备的应用上，一般都会存在机械抱闸机构，这主要是考虑到安全方面的因素。提升机构在机械抱闸机构抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象（称为溜钩），防止溜钩是桥式起重机控制系统设计中的安全控制环节。当吊钩起吊重物停止在半空中时，如果要作上升或者下降动作，变频器的运行和对机械抱闸机构的控制，这两者之间的配合就显得非常重要；配合不好，有可能出现变频器报警（过载或者过流），也有可能出现重物溜钩的现象。针对这种现象，台达VE变频器专门开发参数来方便调整。使用台达VE变频器多功能输出指令第42号功能就能够很好的解决这个问题，具体时序图如图4所示。
图4 报闸控制时序 　　多功能输出指令42主要用来控制机械抱闸机构的动作，其条件为：实际输出频率，实际输出电流，延迟时间。如果当实际输出频率大于02-33设置值，并且当实际输出电流大于2-32设置值，变频器开始计时，时间超过2-31设置延迟时间，多功能输出指令42就动作，打开机械抱闸机构；反之，如果实际输出频率小于02-33设置值，或者实际输出电流小于2-32设置值，多功能输出指令42就不动作，机械抱闸机构关闭。这样做能够有效检测主吊电机是否励磁完成，保证起吊货物的安全性。　　除了使用到多功能输出指令42，如果配合齿隙功能（7-15齿隙加速中断时间/7-16齿隙加速中断频率/7-17齿隙减速中断时间/7-18齿隙减速中断频率），就能够有效消除机械抱闸松开时的抖动现象，使启动/停止的速度更加平滑。2.4 变频器参数设计（1）参数恢复出厂值：Pr. No MODBUS Description Unit Data00-02 0002H Parameter Reset 9（2）设置电机参数：Pr. No MODBUS Description Unit Data01-00 0100H Max Output Freq. Hz 50.0001-01 0101H Motor1 Fbase Hz 50.0001-02 0102H Max Out-Volt 1 V 380.005-01 0501H Motor1 Rated A Amps 34.6005-02 0502H Motro1 Rated P Kw 15.0005-03 0503H Motor1 Rated RPM 71205-04 0504H Motor1 Poles 805-05 0505H Motor1 No-Load Amps 17.99注意：对于05-05无载电流，可以通过几种方式获得：1。通过变频器动态测试电机参数计算出来（电机必须拖开负载运行），但是由于此台起重设备无法进行动态测试，这种方式不能采用；2。在电机铭牌上获得；3。在VF模式下空载运行，察看变频器输出电流；4。查询手册。（3）电机参数测量：Pr. No MODBUS Description Unit Data05-00 0500H Auto-Tuning SEL 2　　作静态测量。目前VE系列变频器提供3种电机参数测量方式：①动态测试，此种方式电机测量时电机需要做无载运行；②静态测试，此种方式需要事先输入电机无载电流；③静态测试（电机轴端有机械锁定）。　　电机参数测量完成后，察看电机参数：Pr. No MODBUS Description Unit Data05-06 0506H Motor1 Rs ohm 0.59205-07 0507H Motor1 Rr ohm 0.46405-08 0508H Motor1 Lm mH 70.005-09 0509H Motor1 Lx mH 7.6（4）调整控制方式为SVC（矢量控制）方式：Pr. No MODBUS Description Unit Data00-10 000AH Control Method 2（5）调整加减速时间以及点动频率：Pr. No MODBUS Description Unit Data01-12 010CH 1st Accel Time sec 1.0001-13 010DH 1st Decel Time sec 0.5001-20 0114H JOG Accel Time sec 1.0001-21 0115H JOG Decel Time sec 0.5001-22 0116H JOG Frequency Hz 20.00（6）调整机械抱闸控制点：Pr. No MODBUS Description Unit Data02-11 020BH Multi-Fun RLY1 4202-31 021FH Brake Delay Time sec 0.20002-32 0220H Current Detect % 3002-33 0221H Speed Area Set 1.0007-15 070FH GEAR ACC TIME 0.3007-16 0710H GEAR ACC FREQ 1.5005-25 0519H Slip Comp Gain 3.00　　由于机械抱闸使用接触器控制，接触器电源为220V，所以采用继电器控制，选用RA/RC常开触点。（7）其他保护参数：Pr. No MODBUS Description Unit Data06-01 0601H OV stall level V 0.006-03 0603H OCA Level % 25006-04 0604H OCN Level % 25006-12 060CH TQR LIMIT 25007-00 0700H SW Braking Level V 730.02.5 负载运行　　使用以上参数，进行负载运行。0-50HZ带6吨载运行时母线电压的状态：　　（1）不运行状态。500VDC；上升启动时电压480VDC；下降过程中最大电压730VDC；　　（2）带8吨载运行时输出电流的状态。上升启动时最大电流70A 下降过程中最大电流56A 稳定运行时电流29A。3 结束语　　带载情况下启动电流保持在3倍额定电流范围（VE变频器过载电流范围为额定3倍）以内，能够提供足够启动转矩；带载下降过程中最大母线电压维持在730VDC设定值，保证了变频器不出现OU报警；2-11=42功能判断条件采取频率和电流综合判断，保证在带载情况下不出现溜钩现象。经过测试能够满足项目起重设备长期安全稳定运行的要求。(自动化网竹逸编辑)