INVT-CHV100在集裝箱裝卸機上的應用
2009/8/10 11:54:20
摘要：變頻器是工業控制領域較為通用的自動化控制裝置，性能穩定，可靠。變頻器應用于集裝箱裝卸系統，可以大大提高其運行性能和可靠性，是目前集裝箱裝卸系統較為理想的設計模式。
關鍵詞：矢量變頻器（SVC、VC）、集裝箱裝卸機
1、引言
集裝箱裝卸機是集裝箱專用裝卸設備之一，可用于20ˊ、40ˊ國際標準集裝箱的裝卸、轉運及堆放等作業。其作業高度可以達到“堆六過七”。傳統的集裝箱裝卸機為了提高起動轉矩，采用繞線式異步電動機拖動，通過鼓形凸輪控制器的操作改變其轉子所串電阻調速。隨著電力電子技術發展和矢量控制技術的出現，現在人們普遍采用變頻器作為調速電源，用多極變頻異步電機取代原來的繞線式異步電動機，用PLC作為控制裝置進行無觸點控制。從而改善了調速性能，增加了系統的可靠性。本文以CHV100在贛州鐵路局貨運站的成功應用為例，闡述集裝箱裝卸機的變頻調速過程。
2、系統簡介
2.1集裝箱裝卸機的運行機構的構成。
主要由三部分組成：大車拖動系統、小車拖動系統、吊鉤拖動系統。
（1）大車拖動系統拖動整臺起重機順著車間方向左右移動（以司機的坐向為參考）
（2）小車拖動系統拖動吊鉤及重物順著橋架作前后運動。
（3）吊鉤拖動系統拖動重物作吊起或放下的上下運動，下面這種介紹吊鉤拖動系統。
2.2負荷特點
集裝箱裝卸機運行機構均屬于恒轉矩性質負載，且其吊鉤拖動系統為位能性負載，當吊鉤吊起重物下降或者快速減速運行時，電動機處于再生發電制動狀態。需要將電能通過反饋裝置反送給電網或者消耗在制動電阻上，以防止母線電壓過沖，變頻器過壓。
3、控制要求
3.1吊鉤拖動系統要求起動轉矩大，起動運行平穩。能夠實現正反運行且要有超載、限位、限流等多種保護。
3.2吊鉤拖動系統在啟、停過程中容易出現“溜鉤”問題。
由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要時間（約0.6s），從而電動機轉矩的產生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反應的。因此，制動器和電動機在動作的配合上極易出現問題。如電動機已經通電，而制動器尚未松開，將導致電動機嚴重過載；反之，如電動機已經斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現所謂的“溜鉤”現象。因此要有相應的防止措施。
3.3吊鉤拖動系統中要有機械抱閘裝置（機械制動器）。當重物吊在空中出現突然停電的情況，如果不加裝機械抱閘裝置，重物就會有下滑的危險。因此，吊鉤電動機軸上必須加裝制動器。常用的有電磁鐵制動器和液壓電磁制動器等。
4、系統構成與控制原理
4.1系統構成
4.1.1變頻器的選擇。
集裝箱裝卸機的大、小車（平移機構）拖動系統對系統的性能要求不高，為了節省成本，選用V/F控制方式的通用變頻器INVT-CHF100即可滿足要求。（本文從簡）；裝卸機吊鉤（提升機構）拖動系統要求有較高的起動轉矩和調速性能，必須采用矢量控制型變頻器。本文采用INVT-CHV100系列矢量變頻器。CHV100系列變頻器具有以下技術特點：
a、 起動轉矩：無PG矢量控制0.5Hz/150%（SVC）；有PG矢量控制0Hz/180%（VC）（零速全轉矩功能，又稱零伺服功能，即零速是電動機仍然能輸出180%的額定轉矩，使重物停在空中）。
b、過載能力：150%額定電流60s；180%額定電流10s
c、調速比：無PG矢量控制： 1：100；有PG矢量控制： 1：1000
d、速度控制精度：無PG矢量控制：±0.5%最高速度；有PG矢量控制：±0.1%最高速度。
吊鉤提升電機的功率為：75kw。為了保證足夠的起動和運行力矩，故將變頻器的容量放大一個規格。選用：INVT-CHV100-090G-4型變頻器+I/O擴展卡。為了節省成本，精簡控制系統，本方案采用無PG矢量的控制方式
4.1.2 PLC、HMI的選擇
日本三菱的FX2N-40MR；臺灣“威綸”觸摸屏 MT506LV
4.1.3制動單元的選擇
變頻器的制動單元應加大一個檔次，以便允許有較大的制動電流，縮短制動過程；制動電阻的額定功率應加大一倍。故選用：DBU-055-4（2個并聯）、制動電阻：13.6Ω/9600W（2個）。（也可以放大一個規格，直接選用能量回饋單元：RBU-110-4。）
4.2系統控制原理
4.1系統控制原理說明
4.1.1主令開關、超載、限位開關及變頻器的繼電器輸出信號1（故障輸出），作為三菱FX2N plc的輸入信號。
PLC的輸出信號控制變頻器的多功能輸入端子（控制變頻器的正反轉、多段速、故障復位、緊急停止等。）和主電源電路的通斷。
觸摸屏和PLC通過RS422串行接口相連，PLC中的接口程序在PLC中為觸摸屏設立數據讀取區及相關狀態標志，用于監視主鉤的高度、載荷、運行狀態、故障信息等。
（1-1）
系統控制原理圖
5、變頻器接線、調試要點及參數設置
5.1變頻器接線說明
5.1.1變頻器多功能輸入端子S1-S7、HDI用于控制變頻器的啟動、停止、正轉、反轉、多段速、故障復位、緊急停止。
5.1.2繼電器1輸出作為“故障輸出”；繼電器2輸出（FDT電平輸出）作為“抱閘/松閘”信號輸出。
5.1.3變頻器直流母線上并聯兩個DBU-055-4制動單元和制動電阻，用以消耗吊鉤下行過程中產生的能量，實現變頻器的四象限運行。
（1-2）
變頻器接線圖
5.2調試要點
5.2.1矢量參數的手動調節。由于現場不能脫離負載，無法進行參數自學習，故需要手動更改適量控制參數，優化控制性能。一般來說，可以遵循以下規律：低頻轉矩不夠，可以適當加大定子電阻；轉差率大可以適當增加轉子電阻。輸出電壓偏低，可以提高空載電流、定轉子電感和互感。此外，還可以適當調節“電流環”和“速度環”PI參數，他們將直接影響系統的動態響應和控制精度。
5.2.2抱閘與松閘的控制。無PG矢量控制方式在“0” Hz運行時無法達到額定輸出轉矩，故需要借助一個FDT電平（繼電器2輸出）功能，來提升控制功能。即：設置一個合適的FDT電平檢測值，讓變頻器運行到一定頻率后才打開機械抱閘裝置。FDT電平檢測值設置過高，容易跳“過載”或“過流”故障；FDT電平設置過低又不能提起重物，此處最終設定的FDT電平檢測值為5Hz。若采用有PG矢量控制方式則可以在“0” Hz運行時輸出一個控制信號去打開機械抱閘裝置。
5.2.3溜鉤問題處理。為了減少系統的“溜鉤”時間，盡量把減速時間設置得短些，此處設為0.1s。此外，PLC和變頻器時序邏輯的配合也相當重要。
5.3參數設置
P0.00 0 無PG矢量控制
P0.01 1 端子指令通道
P0.10 15 鍵盤設定頻率
P0.11 1 加速時間0
P0.12 0.1 減速時間 0
P0.14 2 載波頻率設定
P2.01 50 電機額定頻率
P2.02 585 電機額定轉速
P2.03 380 電機額定電壓
P2.04 168 電機額定電流
P2.05 75 電機額定功率
P2.06 0.58 電機定子電阻
P2.07 0.58 電機轉子電阻
P2.08 17.4 電機定、轉子電感
P2.09 18.5 電機定、轉子互感
P2.10 38.22 電機空載電流
P3.14 170 轉矩上限設定
P5.00 2 HDI1為開關量輸入
P5.02 1 正轉運行
P5.03 2 反轉運行
P5.04 16 多段速端子1
P5.05 17 多段速端子2
P5.06 18 多段速端子3
P5.07 19 多段速端子4
P5.09 7 故障復位
P5.10 6 緊急停止
P6.04 3 故障輸出
P6.05 6 頻率水平檢測FDT輸出
P8.16 3 故障自動復位次數
P8.18 0.1 故障自動復位間隔時間
P8.25 5 FDT電平檢測值
P8.26 2 FDT滯后檢測值
PA.06 40% 多段速2
PA.14 60% 多段速6
PA.16 80% 多段速7
PA.32 100% 多段速15
6、系統保護
該系統中，變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護和故障輸出功能，對吊鉤拖動機構來說，變頻器驅動一臺電動機，所以變頻器的輸出可以直接連接電動機而不必接熱繼電器作過載保護。線路主回路中接有總接觸器和分接觸器，它們除了通斷線路的作用外，還兼有短路、過載、欠壓等多種保護。司機可以通過聯動臺中的啟停按鈕控制總接觸器進而控制總電源的通斷，在無法用接觸器通斷電路的情況下，可以通過急停開關接通總斷路器分勵脫扣線圈來斷開電源電路。另外在總電源控制回路中還串有門限位開關和鑰匙開關作為安全保護措施。
7、結束語
有了功能完善、性能穩定可靠的變頻器和PLC的有力支持，集裝箱裝卸機在可靠性、調速性能、節能和運行效率等方面與傳統的集裝箱裝卸機相比有了很大的提高，變頻器和PLC構成的集裝箱裝卸機系統成為目前集裝箱裝卸機的典型設計模式，應用越來越廣泛。
8、參考文獻
《CHV系列矢量變頻器說明書》 英威騰電氣股份有限公司 2007
《電氣控制與可編程控制技術》 化學工業出版社 2004
3、《 起重機設計規范》 國家標準GB/T3811 2007