变频器主/从控制技术在桥式起重机上的应用探讨

2013-07-11李力

制造业自动化 2013年11期

李力

（北京起重运输机械设计研究院，北京 100007）

0 引言

近年来，随着变频技术的快速发展，变频器由于其调速性能稳定，节能环保，性价比高等多方面的特性，在起重行业得到了广泛的应用。由我院设计制造的垃圾吊，秸秆吊等各种型式的双梁桥式起重机的提升机构，大小车运行机构中目前均采用变频方式进行调速控制。按照传统的设计思路，在双梁桥式起重机的大车运行机构中，分别安装在两侧端梁位置的两台大车运行电机由一台变频器进行同步驱动。这种大车机构驱动方式目前从实际使用情况来看基本正常，但在某些特定的工况下，这种驱动方式是否能使设备平稳运行有待商榷。本文从设备功能优化的角度出发，试将变频器的主/从控制模式应用在双梁桥式起重机的大车运行机构中，希望与各位同行，专家交流探讨，以期改进设备性能。

1 现存的问题

在目前的桥式起重机的大车运行机构中，大多数的控制方案都是采用“一拖二”的方式，即用一台功率不小于两台电机功率总和的变频器同时驱动两台行走电机，由变频器产生的理论上相同频率和相同幅值的电压作用在各电动机上，这时就可以把变频器的输出侧理解成共用的供电母线。在这些受控电动机的性能参数基本一致时，它们最终表现出来的机械特性也是较为一致的，机械特性包括了理想的空载转速及斜率等各种电机特性。当所承受的负载也基本相当时，实际电机的运行转速也基本相同。这种驱动控制方式，简单实用。由于变频器直接转矩控制和矢量控制这两种控制模式都不能用于“一拖二”方式，所有只能选用恒压频比(V/F)控制作为变频调速方式。由于恒压频比(V/F)控制方式的稳态调速性能和动态调速性能都不太理想，可能会导致电动机在低速运行时出现带载能力差，起动转矩低等现象，故基本上应用于调速性能要求不太高的工况。另外，“一拖二”方式下，各受控电动机的实际转速由不同的机械特性曲线和不同的负载力矩决定，各电机实际转速还是不尽相同，理论上只是空载转速相同而已。因此，该方式下的各个电机同步性不高，只能用于对于速度、位置等控制目标精度要求不高的场合较为适用。同时，当大车两侧运行轨道安装不标准，导致大车机构出现“啃轨”现象，以及两侧端梁轮压差别较大时，例如，小车带重负载停在某一侧端梁附近，或者某侧端梁安装大车导电架侧需拖动大量电缆滑车时，将会出现两侧电机出现严重的负载不平衡，导致大车运行轨迹直线性较差，并且，大车单侧电机转矩及发热过大，会大大缩短电机使用寿命。

2 解决的方法

两台大车电机采用ABB ACS800变频器的主从控制模式进行驱动应能解决上述的问题，该控制模式是针对多电机传动系统而设计，单独的变频器控制单独的电机，即变频器与电机之间为一一对应的关系。因此，主从控制可以采用具有转矩控制能力的矢量控制和直接转矩控制方法。利用上述高性能的控制模式，可在同步运行的大车驱动机构之间建立合理的载荷分配关系，充分发挥各受控电动机的转矩输出能力。如图1所示。

图1 控制框架图

桥式起重机的两台大车行走电机由端梁及主梁形成连接。即主变频器（以下简称主机）和从变频器（以下简称从机）的电机为刚性连接，所以主机应采用典型的速度控制模式，而从机采用转矩控制模式对主机的转矩输出进行输出跟随，从机时刻跟随输出主机的转矩给定值。因此，较好地保持了电机负载平衡，以使传动单元之间平均分配负载转矩。此时由机械结构保证转速同步，每台电机分别由独立的变频器控制，因此保证了各大车电动机承担负载的合理分配，防止出现分配转矩严重不平衡。变频器转矩控制逻辑流程如图2所示。

图2 转矩控制逻辑流程图

主机采用速度控制方式输出，即速度给定值speedref3与实际速度值actual speed进行比较计算，通过窗口限制功能及pid调节器得到转矩给定值torqref2，该值经过转矩选择器后运算后，得到最终的转矩给定值torqref3主机速度环输出的最终转矩给定值torqref3同时作为从机的转矩给定值，实现主机和从机的负载转矩平衡分配。

在变频器主/从控制模式下，外部控制信号（例如,PLC的输出控制信号）只与主机连接。主机通过一个光纤串行通讯线路来控制从机。如图3所示。

图3 通讯连接图

主机通过光纤通讯线路将一些重要的控制信息，例如：从机控制字信息、转矩给定值信息和转速给定值信息传送给从机，以此实现了对从机的运行控制。而从机则无须有任何数据通过主从通讯线路反馈给主机。值得注意的是，应把从机的故障报警信号通过硬接导线连接到主机的运行使能信号端，这样便可作为一种连锁保护。从机如果发生故障报警停机，连锁信号将触发主机的停机信号。

主机通过通讯线路发送给从机的的控制字信息是一个16位字类型数据，如表1所示。

表1 主机控制字表

其中只有bit3（run）、bit7（reset）、bit10（remote－cmd）使用，当从机参数[10.01]（ext1start/stop／dir）或[10.02]（ext2start/stop/dir）设置为comm.cw参数时，控制字命令可视为有效。给定值是由1个符号位和15个整数位的16位字数据组成，给定1为速度给定值，给定2为转矩给定值。在从机的数据中，外部速度给定值将由给定1来决定，需将参数11.03（extref1）设置为comm.ref；外部转矩给定值将由给定2来决定，需将参数[11.06]（extref2select）设置为comm.ref。

3 主/从控制参数设置

表2 主机参数表

从机参数设置如表3所示。

表3 从机参数表

值得注意的是，当从机为转矩控制，参数[11.02] EXT1/EXT2 SELECT 设置为EXT2 时，参数 [60.02] TORQUE SELECTOR 宜设置为ADD，参数[60.03] WINDOW S EL ON宜设置为YES。即ADD 选项和视窗控制（WINDOW S EL ON）一起为转矩控制模式下的从机提供了一种用于速度监视的功能。在速度监视功能允许的范围内，从机按照主机的转矩给定信号值 (TORQ REF 1)运行。如果速度偏差值（速度给定值减实际速度值）处在参数定义范围内，视窗控制功能将使速度调节器的输入和输出均为0。如果速度偏差值超出窗口功能允许的范围，视窗控制功能会将误差传至速度调节器。而速度调节器接收视窗控制功能的信号后，将调节输出内部转矩给定值，以达到转矩平衡的效果。