王劍超，熊良勇

(1.太原市晉陽湖管理處，山西 太原 030021;2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

傳統(tǒng)起重機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)是電機(jī)穩(wěn)態(tài)理論，工程師通過分析電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的特性曲線來設(shè)計(jì)控制方案，這樣設(shè)計(jì)出來的方案具有結(jié)構(gòu)簡單、便于維修的特點(diǎn)。但是由于忽視了對電機(jī)動態(tài)運(yùn)行過程的分析，該控制方案會導(dǎo)致起重機(jī)啟動時(shí)負(fù)載對機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，從而影響起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)及機(jī)械制動部件的壽命[1]。

隨著現(xiàn)代電機(jī)理論和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，工程師能夠更加深入地分析電機(jī)參數(shù)。在調(diào)試現(xiàn)場，工程師可以通過修改變頻器參數(shù)來優(yōu)化電機(jī)的啟動性能。隨著可編程邏輯控制器的發(fā)展和現(xiàn)場總線技術(shù)[2]的出現(xiàn)，使得電氣控制系統(tǒng)的采樣時(shí)間可以精確到幾十毫秒以內(nèi)，現(xiàn)場工程師能夠在更精細(xì)的時(shí)間軸上觀察電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)曲線，更有效地依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況來調(diào)整變頻器控制參數(shù)，從而優(yōu)化電機(jī)的啟動性能。

本文通過一個工程實(shí)例，對變頻器控制的起升機(jī)構(gòu)的啟動過程進(jìn)行分析，以減小電機(jī)啟動對起升機(jī)構(gòu)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成的沖擊為目的，通過分析變頻器不同設(shè)置參數(shù)條件下電機(jī)的啟動運(yùn)行曲線，得出作者認(rèn)為的最佳變頻器參數(shù)設(shè)置方法。

1 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)

圖1為起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)。本文分析的起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的額定起重量為320 t、起升速度為0.98 m/min，電機(jī)型號為YZP315M-10H、額定轉(zhuǎn)速為586 r/min。

2 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)

該起升機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)使用西門子SINAMICS S120系列變頻器。變頻器的動力部分使用PM340系列功率單元，控制部分使用CU310-2DP控制單元。起升機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖1 起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)

圖2 起升機(jī)構(gòu)電氣控制系統(tǒng)框圖

3 變頻器的參數(shù)調(diào)整

減小啟動過程引起的機(jī)械沖擊的關(guān)鍵在于做好電機(jī)和制動器的配合，電機(jī)與制動器最理想的配合方式是：制動器不打開，電機(jī)軸上沒有轉(zhuǎn)矩；制動器打開后，電機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩要拖動負(fù)載按照變頻器事先設(shè)定的加速曲線到達(dá)穩(wěn)定的運(yùn)行速度。

電機(jī)和制動器受變頻器控制，它們的運(yùn)行要通過變頻器的參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。做好電機(jī)和制動器之間的配合，需要工程師根據(jù)現(xiàn)場情況對變頻器的兩個關(guān)鍵參數(shù)(P1220和P1216)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置。

3.1 設(shè)置打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)

變頻器默認(rèn)的運(yùn)行流程是：在啟動狀態(tài)下，變頻器首先使電機(jī)勵磁，當(dāng)電機(jī)勵磁完成后，變頻器再根據(jù)用戶設(shè)置的參數(shù)控制電機(jī)和制動器運(yùn)行。

工程師使用安裝在PC機(jī)上的Starter軟件[3]對變頻器進(jìn)行設(shè)置。需要設(shè)置的第一個關(guān)鍵參數(shù)是P1220，即設(shè)置打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(Release threshold signal source)，如圖3所示。圖3中，P1212為設(shè)置檢測閾值(Release threshold)；P1277為零速檢測延時(shí)時(shí)間(Delay time)；P1218為連接制動器打開控制信號(Release brake)，默認(rèn)設(shè)置為1；P0855為連接制動器強(qiáng)制打開信號(Brake must be released)，默認(rèn)設(shè)置為0。

圖3 Starter中P1220設(shè)置頁面

設(shè)置打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)通常有兩種選擇：一是選擇電機(jī)力矩(r80.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源；二是選擇電機(jī)電流(r68.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源。

3.1.1 選擇電機(jī)力矩作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源

選擇電機(jī)力矩(r80.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源主要基于以下考慮：操作者要求負(fù)載上升的工況時(shí)，制動器打開之前，電機(jī)會先給負(fù)載一個正向力矩，當(dāng)制動器打開后，電機(jī)正向力矩大于負(fù)載力矩，合力矩使負(fù)載受到一個向上的力，可以避免因電機(jī)電磁力矩尚未建立起來電機(jī)暫時(shí)出現(xiàn)的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)通過設(shè)置檢測閾值(P1212)可以使電機(jī)啟動力矩大小相對合適，避免啟動過程對負(fù)載產(chǎn)生沖擊。

圖4為P1220選擇r80.0負(fù)載上升時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線。從圖4中可以看出，啟動過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，力矩曲線平滑,滿足起升機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)行的要求。

圖4 P1220選擇r80.0負(fù)載上升時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線

圖5為P1220選擇r80.0負(fù)載下降時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線。在制動器打開的瞬間電機(jī)建立反向的電磁轉(zhuǎn)矩，加上負(fù)載重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，對傳動軸產(chǎn)生一個疊加的反向合力矩。這個力矩使電機(jī)軸快速加速，很快就超過了變頻器設(shè)定的轉(zhuǎn)速。為了減小電機(jī)的過快加速，變頻器會控制電機(jī)產(chǎn)生正向力矩，因此電機(jī)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩有一個快速的過零瞬變過程。這種情況下齒輪箱和鋼絲繩會產(chǎn)生比較明顯的沖擊，因此使用力矩作為打開制動器的條件是不恰當(dāng)?shù)?。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)論述了設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)矩作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源時(shí)同類型負(fù)載的運(yùn)行情況。

圖5 P1220選擇r80.0負(fù)載下降時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線

3.1.2 選擇電機(jī)電流作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源

選擇電機(jī)電流(r68.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源，圖3所示的設(shè)置檢測閾值(P1212)選擇的是20%的電機(jī)基準(zhǔn)電流，該數(shù)值小于電機(jī)勵磁電流。設(shè)置檢測閾值小于勵磁電流的原因是：當(dāng)電機(jī)完成勵磁之后，就具備快速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)的能力，電機(jī)轉(zhuǎn)矩可以快速達(dá)到變頻器要求的數(shù)值。

通過上述分析，當(dāng)選擇電機(jī)力矩(r80.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)時(shí)，在負(fù)載下降的工況下，電機(jī)啟動會對機(jī)械結(jié)構(gòu)造成沖擊；當(dāng)選擇電機(jī)電流(r68.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)時(shí)，變頻器控制電機(jī)在零轉(zhuǎn)矩下啟動，能夠有效避免電機(jī)啟動對機(jī)械結(jié)構(gòu)造成沖擊。因此選擇電機(jī)電流(r68.0)作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)比選擇電機(jī)轉(zhuǎn)矩(r80.0)更為優(yōu)化。

3.2 制動器打開時(shí)間的設(shè)置(P1216)

制動器打開時(shí)間(Brake releasing time)P1216是需要調(diào)整的第二個變頻器參數(shù)，其在Starter軟件中的選擇設(shè)置頁面如圖6所示。圖6中，P1215為制動器功能設(shè)置(Brake configration)；P1275.5為制動器反饋信號(Brake with checkback signal)；P1217為制動器關(guān)閉動作時(shí)間(Brake closing time)；r1229.1為制動器釋放連接信號(Release brake command)。

圖6 Starter中P1216設(shè)置頁面

在調(diào)整制動器打開時(shí)間參數(shù)之前，首先要測得制動器的實(shí)際打開時(shí)間。制動器打開時(shí)間從變頻器發(fā)出制動器打開信號開始到電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)變化終止，現(xiàn)場使用的是液壓塊式制動器[5]，使用Starter軟件現(xiàn)場測得制動器打開的實(shí)際時(shí)間為180 ms。

制動器打開時(shí)間(P1216)有三種設(shè)定方法：P1216大于制動器實(shí)際打開時(shí)間；P1216等于制動器實(shí)際打開時(shí)間；P1216小于制動器實(shí)際打開時(shí)間。

3.2.1 設(shè)定打開時(shí)間大于制動器實(shí)際打開時(shí)間

設(shè)定時(shí)間大于制動器實(shí)際打開時(shí)間，意味著變頻器在制動器實(shí)際打開以后仍不發(fā)出轉(zhuǎn)矩命令，理論上制動器打開后電機(jī)軸上沒有電磁力矩，因此負(fù)載可能在重力作用下運(yùn)行，處于失控狀態(tài)。

3.2.2 設(shè)定打開時(shí)間等于制動器實(shí)際打開時(shí)間

如果設(shè)定制動器打開時(shí)間等于制動器實(shí)際打開時(shí)間，電機(jī)在制動器打開之前沒有轉(zhuǎn)矩，避免了電機(jī)和制動器之間的機(jī)械沖擊。但是當(dāng)要求重物上升時(shí)，在制動器剛打開的一段時(shí)間內(nèi)，由于電磁轉(zhuǎn)矩不能瞬間達(dá)到負(fù)載轉(zhuǎn)矩，因此重物會拖動電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，負(fù)載越重，電機(jī)反轉(zhuǎn)的情況越明顯。

圖7為P1216等于180 ms電機(jī)啟動時(shí)的參數(shù)曲線。由圖7可知，帶負(fù)載情況下，在電機(jī)啟動時(shí)，啟動轉(zhuǎn)矩不足，受負(fù)載拖動，電機(jī)轉(zhuǎn)速出現(xiàn)負(fù)值，速度達(dá)到-25 r/min，約等于電機(jī)一檔額定轉(zhuǎn)速的41%。

圖7 P1216等于180 ms電機(jī)啟動時(shí)的參數(shù)曲線

3.2.3 設(shè)定時(shí)間小于制動器實(shí)際打開時(shí)間

為了減少因電機(jī)啟動瞬間電磁轉(zhuǎn)矩不足帶來的電機(jī)反轉(zhuǎn)問題，工程師現(xiàn)場將制動器打開時(shí)間(P1216)設(shè)定為140 ms。這樣在制動器打開之前，變頻器會提前啟動轉(zhuǎn)矩輸出，在制動器打開的瞬間電機(jī)軸上會有一定的向上轉(zhuǎn)矩，減少了電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖8為P1216等于140 ms負(fù)載上升時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線。由圖8可知，電機(jī)帶一定負(fù)載時(shí)，制動器實(shí)際打開的瞬間，電機(jī)軸上大概有200 Nm的初始轉(zhuǎn)矩，這個初始轉(zhuǎn)矩可以有效地減少電機(jī)的反轉(zhuǎn)。

制動器打開時(shí)間的具體數(shù)值需要現(xiàn)場調(diào)整，設(shè)置時(shí)間不應(yīng)過小。制動器的打開時(shí)間過小會導(dǎo)致制動器打開時(shí)電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩過大。對于下降過程來說，反向電磁轉(zhuǎn)矩疊加重力產(chǎn)生的力矩會使得電機(jī)軸加速過快，超過設(shè)定的加速曲線，從而導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的震蕩并造成機(jī)械結(jié)構(gòu)沖擊。P1216等于140 ms負(fù)載下降時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線如圖9所示。

圖8 P1216等于140 ms負(fù)載上升時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線

圖9 P1216等于140 ms負(fù)載下降時(shí)的電機(jī)參數(shù)曲線

通過對上述三種設(shè)定方法的分析，為了保證起升機(jī)構(gòu)的運(yùn)行安全，同時(shí)減少起升機(jī)構(gòu)啟動時(shí)的電機(jī)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)設(shè)置制動器打開時(shí)間(P1216)小于制動器實(shí)際打開的時(shí)間。

4 結(jié)論

從最終起升機(jī)構(gòu)的調(diào)試結(jié)果來看，設(shè)置電機(jī)電流作為打開制動器狀態(tài)檢測的信號源(P1220)，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場情況將制動器打開時(shí)間(P1216)設(shè)置為小于制動器實(shí)際打開的時(shí)間，能夠在保證起升機(jī)構(gòu)安全性的前提下，盡可能地減小電機(jī)啟動時(shí)對起升機(jī)構(gòu)的沖擊。該設(shè)置方法簡單可靠，與控制系統(tǒng)的其他部分沒有相互干涉，便于現(xiàn)場操作。起重設(shè)備的調(diào)試是一個精細(xì)化的工作，需要工程師根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況反復(fù)對變頻器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使設(shè)備在最優(yōu)化的狀態(tài)下運(yùn)行。