台达VE系列变频器在桥式起重机上的应用

 
        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

 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。

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. 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

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。

4. 变频器参数设计

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。

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。

         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。