直流调速技术在卸煤机上的应用.pdf

直流调速技术在卸煤机上的应用 浙江台州发电厂 蔡海滨 浙江台州发电厂3 000 t码头3台QZ400 - 1215 型桥式卸煤机,于1980年安装, 1982年投入使用。 机上的所有电机为交流电机,使用期间虽然经过5 次大修,但电气传动方式沿用接触器控制交流电动 机的方式,未作大的改进。这种电气传动方式结构 比较简单,安装成本低,维护简单。但在实际使用 中存在能耗高、效率低、冲击大、可靠性和安全性 差等缺点。因此, 2000年在新建QZ500 - 1215型桥 式卸煤机时其升降系统、开闭系统、小车系统的电 气传动方式作了更新,采用全数字直流调速技术, 同时对控制系统作相应的改进。在实际运行中有效 地降低了电能损耗,同时直流调速装置提供了良好 的调速特性,方便司机操作,减少冲击,提高了安 全可靠性。 1 QZ400 - 1215型桥式卸煤机存在的问题 QZ400 - 1215型桥式卸煤机的升降机构、开闭 机构、小车机构采用三相转子绕线式交流电机驱 动,无调速功能。控制系统是OMRON的C200H型 可编程序逻辑控制器PLC。卸煤机正常作业时3 种电机是断续周期性负载,在潮平时实际测得的周 期及负载持续率如表1。 表1 3种电机断续周期及负载持续率 名称负载特性负荷持续率周期/ s 升降断续周期工作制50 ～80 45 开闭断续周期工作制70 ～85 45 小车断续周期工作制70 ～85 45 卸煤机正常运行时升降、开闭和小车的电机启 停较频繁,为了减少冲击,采用转子串软化电阻并 采用串电阻启动方式,串软化电阻的主要目的是软 化机械特性,增加抗冲击能力。启动时串入启动电 阻的目的,一是在起动过程中通过接触器逐级切除 加速电阻来限制起动电流,二是增加起动时的力 矩。如果直接起动电机,在电机起动瞬间,转差率 为1 ,电枢回路中的感抗远大于电阻,此时功率因 数很低,尽管转子的电流将达到额定电流的5～7 倍,但输出的有功功率很小,相应的输出力矩很 小,且如此大的电流将会烧坏碳刷架,如果频繁启 停甚至会烧毁电机。串入电阻后,减小了起动电 流,提高了转子回路中的功率因数,提高了输出力 矩。根据电机的特性、启动电流和需限制的电流, 设置适当级数的电阻,启动时通过逐级切除串在转 子上的电阻来限制启动电流,增大启动时的力矩。 以55 kW的小车电机为例,电机转子电阻回路如图 1所示,机械特性如图2所示,其中TL为负载转 矩,T1、T2是切换时力矩, L1、L2、L3、L4为串 加速电阻R1R2R3、R1R2、R1及切除所有 启动电阻时的机械特性,C1、C2、C3为切除启动 电阻接触器。发出电机启动命令时,前进或后退主 接触器吸合,由于此时C1、C2、C3接触器未吸 合,电机串全部电阻启动,机械特性曲线为L1, 转差率S为1,转子感应电流较大,产生的力矩较 负载大,电机从静止开始加速旋转。随着速度上 升, S下降,电流逐渐下降,电机输出的转矩逐渐 下降,电机机械特性沿曲线L1从B0点出发逐渐靠 近A12,当电机转矩同负载转矩相同时,电机转速 和电流稳定在一恒定值,此时达到一个平衡状态 点,该点就是T1同机械特性L1的相交点A12,如 果此时C1动作,切除R1,转速不变,但电流突然 增大,电机状态过渡到B11,输出的转矩突然增 大,原先的平衡状态被打破,运转特性进入L2曲 线,此时增大的电流使得电机的转矩大于负载,电 机再次加速,电流逐渐减小,电机沿L2曲线到达 A12稳定点。切除R2和R3时运行特性同切除R1情 况类似,最后切除所有启动电阻后电机稳定运行在 AN点,电机转速为nN。升降电机和开闭电机功率 为160 kW ,转子串有1级软化电阻和5级启动电 87起重运输机械 2006 5 阻,运行特性同小车电机基本类似。 图1 电机转子串电阻结构 图2 串电阻启动特性 QZ400 - 1215型桥式卸煤机传动方式存在的问 题 1电能损耗大,利用率低 由于转子串电阻运行,卸煤机在运行时部分电 能白白浪费在电机转子电阻上,以小车电机为例, 在正常使用时,考虑电机启动时间较短,忽略启动 电阻消耗的电能,带负载正常运行时转子电流为 83 A ,软化电阻为011Ω, 55 kW的小车电机运行 时浪费的功率是2104 kW ,实际利用率为9613 , 160 kW的升降电机和开闭电机浪费在转子电阻上 的功率为8164 kW ,实际利用率为9416 ,合计总 的有效利用率为9512 ,如果在清仓作业时,电 机的启动和停止更为频繁,能耗更高,效率更低。 2开关动作频繁,故障率高 电机没有调速功能,无法在稳定的低速状态下 运行,抓斗位置和状态不易控制,运行人员在实际 操作中依靠经验频繁点动和反击来控制抓斗的位置 和状态。频繁点动使得操作手柄易损坏,接触器动 作频率高,缩短使用寿命,设备维修工作量增大。 依照标准设计接触器的动作频率不能超过10次/ min ,但在实际作业时测得的升降为720次/ h ,开 闭为360次/ h ,小车更是高达1 080次/ h ,特别在 清仓时甚至达到60次/ min ,远远超过接触器的正 常使用条件, 4～5个月接触器就达到电气寿命。 采用反击时高速旋转的电机突然反向旋转,此时转 差率接近2 ,转子感应出较高的电势,导致转子过 流,接触器主接点容易损坏,影响接触器的电气寿 命。从实际的检修工作量来看,接触器的更换占了 很大的比例。 3冲击大,设备磨损厉害 电机启动后高速运转,特别是抓斗下放过程中 对船舱或码头的冲击很大,抓斗使用寿命降低;另 外机构的起停仅采用机械制动,依靠抱闸通过摩擦 制动来迫使机构停转,在制动过程中机械冲击较 大,特别是在满载情况下高速转动的机构转动惯量 很大,突然停车制动时整台卸煤机产生剧烈振动, 闸瓦和高速轴磨损较厉害;启动过程中尽管串有电 阻启动,但在电阻切除的瞬间由于电流突增,电压 出现短时下降,特别是在重载时电压下降较大,这 对高压钠灯影响较为明显,在早期使用的高压钠灯 经常出现熄灭现象,影响夜间的正常作业。 4机构之间协调性差 正常卸煤作业时,理想的方式是升降和开闭机 构受力均匀,这样可减轻钢丝绳的过度磨损。但受 传动方式限制,升降和开闭2机构之间无法达到负 载平衡,相互协调能力差。如在抓斗上升时,升降 和开闭之间的受力相差较大,钢丝绳受力相差悬 殊,有可能是开闭钢丝绳承受整个抓斗的重量而升 降绳松懈不受力,其后果是松懈的钢丝绳容易跳 槽,影响正常的作业甚至引发事故。 2 对策与效果 针对QZ400 - 1215型桥式卸煤机存在的问题, 新建的QZ500 - 1215型桥式卸煤机的升降机构、开 闭机构、小车机构采用直流电机驱动,功率控制部 分为直流调速装置,采用闭环控制方式来控制直流 电机运动。采用施耐德公司调速装置,其本身是一 个双闭环控制器,由转速环和电流环组成,电流环 为内环,转速环为外环,如图3所示。采用闭环控 制调速性能良好,起动特性好,对外界抗干扰能力 强。 控制系统采用施耐德公司的Premium中型 PLC ,相应支持的编程软件为PL7 ,同原先的ORM2 RON的CXP相比, PL7的功能强大,可采用梯形 图、结构化语言及功能块图来编写程序,程序设计 97起重运输机械 2006 5 采用结构化和模块化方式,主程序根据需要调用相 应的子程序来实现控制。克服了CXP仅仅只能使 用梯形图,数值处理能力差的弱点。根据直流电机 调速性能好的特点,利用旋转编码器的实时数据, 及测速发电机的实时反馈,对卸煤机实现了半自动 操作,大大减轻了操作人员的劳动强度,减少了因 疲劳引起人为事故的概率。电气室设主站,司机室 设有远程I/ 0接口和终端图形接口,可方便地查看 运行信息、监视电流趋势和各机构的实时位置。 图3 双闭环直流调速原理框图 直流调速器基本原理是利用晶闸管可控整流 逆变特性,通过改变晶闸管导通角逆变角 的大小来改变输出电压的大小,从而达到调节速度 的目的。该调速器由2组反并联晶闸管桥堆组成, 采用逻辑无环流控制方式,可提供四象限运行。 RTV84同PLC结合,利用Premium PLC较强的数值 处理能力,方便地实现了升降、开闭,小车安全可 靠地自动运行。 卸煤机上有2种不同特性的负载,小车是水平 运动负载,升降机构和开闭机构是垂直运动的位势 能性负载。针对2种不同特性的负载, RTV提供不 同的控制方式。对于小车水平运动负载,其四象限 运行特性如图4所示。 图4 4种运行工作状态 第1象限为正向电动, A组桥堆整流, B组桥 堆封锁,电机处于正向电动运行状态,对应小车前 进方向, PLC根据实际状况发出速度给定基准值, 调速器根据PLC的给定基准向A组可控硅发出相 应的触发脉冲,输出相应电压来控制电机正转。 第2象限为正向回馈制动,当电机正向运行停 止时,由于惯性,小车继续前进,电机仍然为正向 转动,但此时A组桥堆停止输出,根据焦耳-楞 次定律,电机的电枢绕组感应出的电势上下- , 此时A组可控硅封锁, B组处于逆变状态,电机处 于发电状态,逆变电流产生的制动力矩使电机快速 停车。 第3象限为反向电动, B组桥堆整流, A组桥 堆封锁, B组桥堆输出电压连续可调,此时输出电 压方向与正向电动相反,电机反向转动。 第4象限为反向回馈制动,当反向电动停止 时,由于惯性,此时电机处于发电状态, A组可控 硅处于逆变状态, B组可控硅封锁,利用逆变电流 产生的制动力矩使电机快速停车。 对于位势能型负载来说,其控制方式同小车有 所不同,这里以升降电机为例,规定向上运动为正 向,向下运动为反向。第1象限上升运动和第2象 限上升制动同小车运动特性一样。当升降机构要下 降时,首先调速器RTV的B组桥堆封锁, A组可 控硅输出电压,建立1个正向的提升力矩,以防抓 斗突然下沉,出现溜钩现象,在建立一定的提升力 矩后,机械制动器打开,由于1组可控硅输出的力 矩不足克服重力,抓斗加速向下,电机处于发电状 态,待速度达到一定值后, 1组可控硅转入逆变状 态,将直流电通过逆变方式反送给交流侧,同时逆 变时产生电流成为电机加速向下的制动力矩,通过 调节逆变角的大小就可以控制制动力矩的大小,从 而控制电机的转速。 直流调速器的运行有以下特点 1能量转换效率高,采用直流调速方式比原 串电阻方式效率大大提高,特别是在电机逆变状态 下运行还可将势能转化为电能送入电网。但不利因 素是逆变时产生较大的谐波,影响其他用电设备, 在实际中采用浪涌吸收器,交流侧加电抗器来抑制 高次谐波。 2直流调速器的功率元件为晶闸管,是静止 元件,没有接触器运行时所产生的磨损、电弧,比 接触器的使用寿命长。 08起重运输机械 2006 5 3在实际运行中,电机的速度可根据实际情 况选择,抓斗的状态和运动轨迹易于控制,提高了 安全性。 4加入电流采集回路后,通过比较升降和开 闭电机的电流,能方便地控制2机构均匀受力,可 减轻机械的磨损,延长使用寿命。 参 考 文 献 1 陈伯时 1 自动控制系统电力拖动控制1 北京机械 工业出版社, 1992 2 陈伯时 1 现代直流伺服控制技术及系统设计 1 北京中 央广播电视大学出版社, 1987 3 莫正康 1 半导体变流技术 1 北京机械工业出版社, 1992 4 杜金城 1 电气变频调速设计技术 1 北京中国电力出版 社, 2001 作者地址浙江省台州市台州发电厂检修分厂 邮 编 318016 大跨度龙门起重机的电气自动纠偏系统 浙江省三门阳光电器有限公司 赵国庆 大跨度大于40 m的龙门起重机以下简称门 机在实际使用中由于众多因素的影响,如大车轨 道高低和平行偏差造成运行阻力的不同,走轮直径 的偏差,电动机转速的偏差,刚、柔腿运行一段时 间后回产生快慢不一的现象,通常当偏差接近跨度 的5/ 1 000时,起重机就应自动减速纠偏,司机也 可以根据偏差指示仪进行手动纠偏;当偏差超过跨 度的5/ 1 000时,偏斜限制器就自动断开大车运行 控制回路,使起重机自动停车。 1 常用电气自动纠偏的方法 大跨度门机要自动纠偏,首先要分析偏差产生 的原因和现象,然后采取对应的纠偏措施。通常有 下列几种电气自动纠偏方法 1当刚腿和柔腿两侧电动机的转速不一样 时,如刚腿侧的电动机平均转速较柔腿侧的电动机 快1/ 1 000 ,这可以通过计算脉冲编码器输入PLC 的脉冲数量的方法来进行纠偏; 2主梁与柔腿的夹角大于或小于90,这可 以通过安装在柔腿顶部的角位移传感器的方法来进 行纠偏; 3通过比较刚腿侧大车走轮和柔腿侧大车走 轮实际运转的线速度,这可以用橡胶摩擦轮带动旋 转编码器的闭环控制方法来进行纠偏; 4直接在刚腿侧和柔腿侧的大车运行钢轨旁 平行安装一些感应点,采用接近开关测量出刚腿侧 和柔腿侧的接近开关动作的先后并输入PLC输入 端的方法来进行纠偏; 2 大车电气控制和自动纠偏系统 该方案采用刚、柔腿侧的电动机分别用2个变 频器同时驱动,采用方法4进行自动纠偏控制。具 体的大车电气控制系统的设计指导书如下 1大车机构的调速比为1 10左右; 1～5挡 的速度设定为10 、30 、50 、75 , 100 的 最快速度; 2控制方式为左箱联动台主令控制;左横机 构控制大车左右5挡; 3大车电动机应加脉冲编码器2个,刚、柔 腿每侧1个; 4将刚、柔腿侧大车电动机的PG A、PG B脉 冲信号反馈到变频器进行闭环控制; 5将刚、柔腿钢轨旁实际记录的计速脉冲 01 - SOA/ SOB、 02 - SOA/ SOB脉冲信号送进PLC 输入端X17、X20 ; 6电气系统采用多种保护功能,设有电动机 过载保护、变频器过载保护,电网过压失压保护、 缺相保护,电机超速、失速保护,制动单元过热保 护、门限位开关、大小车限位、等连锁保护,线路 过载、短路、断路保护,脉冲编码器断线保护等; 18起重运输机械 2006 5