行 车(抓斗)变 频 改 造
行车控制系统变频改造成功的基本标准首先是系统可靠性要高，无故障,维护保养费用要很低；其次，改造后行车的工作效率不能降低；第三，改造后抓斗行车的操作方式和习惯要保持和改造前一致。行车变频控制采用矢量控制方式，其原理特点是利用现代电子技术的优势使异步电动机具有与直流电动机相同的转矩生成机理，将供给异步电动机的定子电流在理论上分成两部分，即产生磁场的电流分量（磁场电流）和与磁场相垂直、产生转矩的电流分量（转矩电流），此磁场电流、转矩电流与直流电动机的磁场电流、电枢电流相当。变频器矢量控制就是将定子电流分量分解成磁场电流和与之相位相垂直的转矩电流，两者互不干涉，按指令分别进行独立控制获得和直流电动机类似的控制性能。
近几年来，由于科技的飞速发展，成本逐渐下降，变频器在起重领域得到广泛的应用，目前行车变频改造主要采用国外专用电器公司（例如：西门子，ABB，施耐德，安川，艾默生等）生产的高性能矢量控制变频器。此类型系列变频器具有可靠品质，多功能，低噪音等优点。通过对电机磁通电流和转矩电流的解耦控制，实现了转矩的快速响应和准确控制，能以很高的控制精度进行宽范围的调速运行，具有电机参数自动调谐，零伺服控制，速度控制和转矩控制在线切换，转速跟踪，内置PLC，内置PID控制器，编码器和给定及反馈信号断线监测切换，掉载保护，故障信号追忆，故障自动重起，内置制动单元，内置PG接口，多种故障监控，丰富的I/O端子和多达十种的速度设定方式，能满足各类负荷对传动控制的需求。键盘由LED显示运行数据和故障代码，LCD显示多种语言状态信息和操作说明，并能进行参数的上传和下传复写功能；功能强大的后台调试监控软件可通过内置的RS485接口组网监控运行；通过数据总线适配器可以接入符合国际标准现场总线控制系统。紧凑的结构，可灵活安装；按照国际标准进行设计和测试，保证产品的可靠性；丰富的选配件，供您进行多种配制选择。变频改造后，节电量不小于25%，启动电流小免维护，速度任意设定，超低速起吊重物。
变频调速技术在行车上时应用作到以下几点:
? 低频时能保证恒转矩输出,以避免低频时满负载工况下发生带不动负载的现象;
? 满负载时在空中制动停车或再提升时, 不产生溜钩现象;
? 电动机减速或重载下放时, 再生制动能量必须迅速释放.
? 实现恒转矩调速和恒功率调速, 轻、空载起升速度提高一倍。
变频调速技术在行车上应用具有以下优点:
（1）变频系统与常规电气控制方案相比, 省去了电动机转子侧的大功率电阻、加速接触器和电动机正反转交流接触器,降低维护量90%以上，延长电机寿命
（2）多段速调速控制可实现安全、xx和有效的起重机操作。利用多段速调速控制，操作方式与原有的一致
（3）采用变频控制是电气制动与机械制动相结合，制动平稳、可靠。保护负载不受损伤，且减少了部件及结构的磨损和机械应力。采用矢量控制闭环方式，0Hz时起升电机也能以额定转矩输出. 实现零速抱闸，可以全速受控，减少抱闸闭合时的振动及抱闸磨损
（4）加减速平滑，使振动和冲击变小，同时减小了负载的晃动，提高了安全性能。无需采用机械变速装置，利用变频调速50Hz以上恒功率调速方式即可将空钩及轻载工况的起升速度提高一倍，类似于直流电机的弱磁升速方式，可大大提高生产率.
（5）电机加减速时间可调整，可实现系统的软启动，软停止，速度变化平滑，运行平稳，低速性能稳定.起动电流小。变频在低频起动，{zd0}不超过电动机额定电流的{bfb}-150%，频繁起动和停止时，电机热耗减小，延长电机寿命。对电网容量的影响也大大减少。
（6）在重负荷时，起重机也能在各档速度下运行，在空中停止并重新启动上升或下降无溜钩现象。
（7）变频器在磁通优化下，电机磁通被自动地适应于负载以提高效率，同时降低电机的噪音。通过磁通优化，基于不同的负载，变频器和电机的总效率可提高1%-10%。
（8）超群的响应性。配备模型追踪控制（前馈控制），用带PG独自的高速电流矢量控制，即使负载剧激变化也能迅速地跟踪。
（9）矢量控制变频器在开环时大于0.8%s,闭环时为0.3%s。变频器的静态精度为0.01%。（10）变频器的危险速度段设置可使电机避免在某一速度或某一速度范围上运行。可以设置5个不同的速度点和速度范围，电机通过危险速度范围时按照加速或减速积分曲线加速或减速。
（11）能满足起升机构对调速硬度、低频转矩特性及四象限运行的要求;可以长时期低速运行;能有效的防止重载空中溜钩现象.超群的力矩特性。通过观察仪可以观察到公认的低速力矩特性：PG矢量控制从零速开始输出150%高力矩运行。这可使起重机在低速下平稳启动。在重负荷时，起重机也能在各档速度下运行，在空中停止并重新启动上升或下降无溜钩现象。
（12） 配用PLC后，控制柜体积大为减少，元件少，若和变频器之间采用通信方式，则无需使用PLC I/O接口及变频器输入端子。
（13） 行车卷扬是位能负载，其一是电动机频繁起动，且经常处于高滑差状态运行，滑差功率白白地消耗在二次电阻上;其二是重物被电动机驱动到高空，电能转换成重物的位能。重物从高空下降的过程中这些位能几乎全部消耗在电动机的二次电阻上了。其单机容量不一定很大，不十分引人注目。但是，它的电能损耗与其自身容量相比是相当高的。采用变频调速，重物以任何速度下降时，电动机都以"超同步"方式运行，重物的位能被电动机转换成电能回送电网，没有二次电阻耗能的问题，节能可达30%左右。如果是作业率高的生产用行车，其节能效益更是可观。
遥控改造(选配)
遥控器采用台湾禹鼎公司的工业专用遥控器，本产品具有高频段抗干扰耐高温抗腐蚀的性能。在保持原操作系统不变的情况下，增加了可遥控的特点，可保证200米范围内不受干扰连续制。遥控器可外设或内置转换开关保证独立操作互不干扰，可靠安全性得到进一步提升。
接收装置
三、改造方案
变频机构为满足行车主起升机构负重平稳运行，必须采用高力矩矢量性变频器，施耐德71系列变频器（起重方面专用变频器）正能满足需要，且能保证超越180%力矩不被抓破，能0HZ平稳在空中吊起重物。行车主钩变频，必须闭环运行，所以采用增量性旋转编码器作为反馈信号来源。设定变频器闭环运行之前需要拆掉电机联轴器以便电机可以空转做自xx（自学习）。因为是旋转编码器作为反馈来源，需拆卸电机，在电机尾部做双凸轴以便于固定旋转编码器。
以PLC为控制核心的控制系统，在原有控制系统（例如，凸轮控制，或联动台）保持不变的情况下，还可以加以遥控器控制行车运行，非变频机构运行，只需将把遥控系统并联于原有控制系统既可满足非变频机构遥控控制，遥控控制与原有凸轮互不干扰同时控制，都是分段切除电阻进行调速。
一、一次接线图：
二、控制原理图：
若只是主钩变频则如下图：
凸轮控制PLC输入信号，变频器接收PLC输出命令，按照凸轮要求控制方式运动。变频器再向电机发送工作命令，旋转编码器在向变频器反馈工作信号，已达到速度和位移的精度控制，而制动器由变频器的多功能输出点来控制。
若主勾变频又带全车遥控，如图：
即可以实现遥控器，亦可以实现凸轮控制器控制。四、实施方案
（一）材料：（只对主钩电机进行变频改造）
1、主钩电机55KW，选用ATV71HD 75N4 75KW变频器（施耐德公司）及控制面板。
2、可编程控制器PLC：Naza（施耐德公司）
3、电控柜及接触器、空开：德力西系列
4、旋转编码器：E6B2(日本欧姆龙公司)
（二）技术方案：
一、主钩：55KW电机选用75KW变频器，大选2个档次闭环矢量控制。高速时变频运行在50HZ；低速时变频运行在5HZ。可分四段速：一段速 5HZ； 二段速 15HZ； 三段速 35HZ； 四段速 50HZ；
1、 采用原电机，将转子滑环短路。电机运行状态将作为鼠笼异步电机运行，转子将不再串入电阻；
2、 由于起重电机后面不出轴，无法安装旋转编码器，因此我们委托外单位对电机进行改造，即做旋转编码器支架；
3、 矢量闭环控制，速变准确，电机运行在{zj0}状态。变频器电流小，力矩大，这是闭环矢量优点不飞车，但电机改造费用大，旋转编码器支架要求xx度高，防震性能好；
二、副钩：副钩二档控制，低速档切除一段电阻，第二档PLC将所有电阻分级切除，将副钩电机功率告知，以便选用接触器。
三、大车：大车分二档控制。慢速只切除一段电阻；快速PLC控制接触器分级将电阻依次切除。
四、小车分二档：低速不切除电阻，高速只切除一段电阻。
抓斗改造简介
一、前言
行车是工业现场常用装备，用来实现货物在三维空间中的转运。其中水平面两个方向的运动分别由大、小车完成，称为行走系统；垂直方向的运动则由起升机构负责。大多数的行车通过钓钩与被运物体相连，当被运物体为粉状时，则需要通过抓料斗，这就是抓斗行车。该类行车在提升部分一般均配置两台电机，专门负责升降运动的电机称为主卷电机，另一台称为闭合电机，除了负责抓斗的打开和闭合（丢料和抓料）外，还将配合主卷电机一起出力进行升降运动。主卷电机和闭合电机均采用绕线式异步电动机转子串电阻有级调速方式，在使用中存在很多问题，严重影响着生产安全和生产进度，其中主要问题体现为：
1、抓斗升降、开闭机械限位开关容易损坏，且限位开关位置不易调整，经常造成电动机烧坏或使钢丝绳被拉断，在抓斗沉抓启升瞬间，升降、开闭电机受力不均匀，开闭电动机单独受力，电机易过载损坏，钢丝绳易断裂； 改造后为智能控制，钢丝绳断裂明显减少；
2、由于绕线式异步电机调速是通过系统中的主要控制元件 -- 交流接触器来接入和切出电动机转子上串接的电阻，切换十分频繁，在大电流下，非常容易烧坏触头。同时因工作环境恶劣，转子回路串接的铜电阻因煤粉、设备振动等原因经常烧坏、断裂。因而设备故障率高，维修量大。小车、大车的运转也存在同样的问题； 改造后故障率下降80%-90%；
3、抓斗操作为双手柄联动台操作，为实现合适的抓斗工况，在实际操作中经常需要电动操作或打反车，由于其控制大电流接触器，极易造成电气元件损坏；改造后，为单手柄操作，当抓斗闭严后自动停止，向上提升时，当四根钢绳自动对齐后上升，尤其是在水中抓去，更为方便；
针对天车现有技术存在的不足，我们提出采用可编程 PLC 控制技术和位置传感技术，以程序控制取代继电器 -- 接触器控制，交流电动机调速方式从转子串电阻调速方式改为采用变频调速方式，进而实现了抓斗的自动化控制。
在抓斗原传动控制中，为了保证机械运行的平稳，采用转子串接电阻的调速方式，在多年的使用过程中发现该控制方式中存在着很多难以解决的问题，比如调速性能差、接触器动作频繁导致经常更换接触器、串接电阻故障多、操作不规范造成电气回路及机械部件损坏等。这也是天车故障率居高不下的主要原因。交流电动机的调速方式很多，综合比较，变频调速性是能{zj0}的调速方式。变频调速以其体积小、通用性强、动态响应快、工作效率高、保护功能完善、可靠性好、使用方便等{zy1}性能而优于以往的任何调速方式。
二、电气系统配置
提升/抓斗部分系统改造原理图
? 行走系统改造配置
大、小车分别选用EMERSON 公司EV2000-4T0300G和EV2000-4T0011G各一台，分别配置15kw、30kw制动组件各一套，以消耗停车时返回变频器的能量。由于较为简单，本文不详细描述。
? 主卷/闭合变频器
对于提升所需变频器，必须选用高性能矢量控制变频器，这里选用了爱默生TD3000-4T1320G两台，分别控制主卷电机和闭合电机，考虑到系统的长期使用以及可能出现的超载情况，在变频器选型方面我们相对电机功率放大1档。由于抓斗上升和下降是由主卷电机和闭合电机共同出力完成，而且在抓料操作时，为了尽可能多抓料，必须使用“点动降”使主卷钢绳保持松弛，因此，当抓料完成时，主卷钢绳是松弛的。若两台变频器都为速度控制方式，则不能解决主卷钢绳和闭合钢绳的受力平衡问题，容易导致闭合电机、闭合变频器、闭合钢绳过载，因此要解决好上述问题，主卷变频器必须支持速度/转矩控制在线切换功能，而且闭合电机用变频器必须有转矩输出功能，两者通过逻辑有效配合方可完成。
? 速度反馈（编码器）
为了更好的实现空中起车和转矩控制功能，本次改造选用配套编码器，编码器与电机轴的连接采用轴套式安装，这种配置可以充分利用TD3000 变频器 0速200%的力矩以及内置的零伺服功能，确保xx启/停时的“溜钩”现象
? 制动单元和制动电阻
抓斗下降过程中，电机处于发电状态，再生能量将导致变频器的直流母线电压上升到危险电压，因此制动组件是必须选配的。经验表明，制动组件配置容量应该相对于变频器容量适当放大，具体情况与行车起升高度、制动单元的{zd0}制动使用率、电机和变频器的配置余量以及制动电阻散热条件等环境因素有关。由于抓斗下降是可能持续较长时间的过程，我们选用的TD3000配套制动组件，该制动组件具备{bfb}ED的制动能力，
? PLC
本系统中选用了PLC来实现整个系统的逻辑控制，主要功能如下：
1. 变频器启/停控制；
2. 控制抱闸，保证电机轴停止时抱闸才抱住，既不提前，也不延后；
3. 主卷变频器控制方式切换（速度控制/力矩控制）。
4. 系统安全连锁功能
a) 行车上各个进出口的门以及操作室的门在打开状态下，禁止操作。
b) 大、小车轨道两端设限位开关限制车体超越。
c) 冲顶限位。
d) 各操作手柄未处于零位置时，上电被禁止。
e) 主卷和闭合变频器中任意一台变频器报故障时，两台变频器均立即停止输出（自由停车），同时抱闸合闸。
f) 任何时刻断电，系统将立即停止，抱闸合闸。PLC故障时，各操作命令无效（PLC无输出），这时，抱闸闭合，行车处于安全停止状态。但不排除PLC误输出松闸信号，虽然这种概率极小，一旦出现这种情况，司机可按“急停”按钮，切断控制电源，使抱闸闭合。
为保证提升的平稳性，合理选择加减速方式是非常必要的，实践证明选用S曲线启停方式非常适合提升，即：电机刚启动时以极低速度运行一段时间，其间加速度也较小，然后再以与加速时间相对应的加速度将电机速度提高，接近设定速度时再以较小加速度运行至设定值。减速过程与加速过程类似。这种方式可有效地减小电机启/停时的冲击电流。
三、 改造效果
抓斗行车变频改造后，很好地解决了主/闭钢丝绳受力平衡问题，软启软停方式大大降低了起制动时的冲击电流，再加上变频器本身具有完善灵敏保护功能，极大地提高了行车运行的可靠性，延长了系统的使用寿命。以下为改造后的有关数据：（以一年前改造的三台行车为例）
? 钢丝绳消耗仅为改造前的20%；
? 电机从未烧坏，改造前为平均1台/月；
? 其它低压电器及机械设备的寿命也大大提高；
? 总维护成本为改造前的10~15%；
