INVT-CHV100在集裝箱裝卸機(jī)上的應(yīng)用

1、引言

集裝箱裝卸機(jī)是集裝箱專用裝卸設(shè)備之一，可用于20ˊ、40ˊ國際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的裝卸、轉(zhuǎn)運(yùn)及堆放等作業(yè)。其作業(yè)高度可以達(dá)到“堆六過七”。傳統(tǒng)的集裝箱裝卸機(jī)為了提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，采用繞線式異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，通過鼓形凸輪控制器的操作改變其轉(zhuǎn)子所串電阻調(diào)速。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展和矢量控制技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在人們普遍采用變頻器作為調(diào)速電源，用多極變頻異步電機(jī)取代原來的繞線式異步電動(dòng)機(jī)，用PLC作為控制裝置進(jìn)行無觸點(diǎn)控制。從而改善了調(diào)速性能，增加了系統(tǒng)的可靠性。本文以CHV100在贛州鐵路局貨運(yùn)站的成功應(yīng)用為例，闡述集裝箱裝卸機(jī)的變頻調(diào)速過程。

2、系統(tǒng)簡介

2.1集裝箱裝卸機(jī)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成。

主要由三部分組成：大車拖動(dòng)系統(tǒng)、小車拖動(dòng)系統(tǒng)、吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)。

（1）大車拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)整臺起重機(jī)順著車間方向左右移動(dòng)（以司機(jī)的坐向?yàn)閰⒖迹?BR>（2）小車拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)吊鉤及重物順著橋架作前后運(yùn)動(dòng)。
（3）吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)拖動(dòng)重物作吊起或放下的上下運(yùn)動(dòng)，下面這種介紹吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)。

2.2負(fù)荷特點(diǎn)

集裝箱裝卸機(jī)運(yùn)行機(jī)構(gòu)均屬于恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì)負(fù)載，且其吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)為位能性負(fù)載，當(dāng)?shù)蹉^吊起重物下降或者快速減速運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。需要將電能通過反饋裝置反送給電網(wǎng)或者消耗在制動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)。能夠?qū)崿F(xiàn)正反運(yùn)行且要有超載、限位、限流等多種保護(hù)。

3.2吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)在啟、停過程中容易出現(xiàn)“溜鉤”問題。

由于制動(dòng)器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動(dòng)作過程需要時(shí)間（約0.6s），從而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失，是在通電或斷電瞬間就立刻反應(yīng)的。因此，制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)在動(dòng)作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)通電，而制動(dòng)器尚未松開，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重過載；反之，如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)斷電，而制動(dòng)器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現(xiàn)所謂的“溜鉤”現(xiàn)象。因此要有相應(yīng)的防止措施。
3.3吊鉤拖動(dòng)系統(tǒng)中要有機(jī)械抱閘裝置（機(jī)械制動(dòng)器）。當(dāng)重物吊在空中出現(xiàn)突然停電的情況，如果不加裝機(jī)械抱閘裝置，重物就會有下滑的危險(xiǎn)。因此，吊鉤電動(dòng)機(jī)軸上必須加裝制動(dòng)器。常用的有電磁鐵制動(dòng)器和液壓電磁制動(dòng)器等。

4、系統(tǒng)構(gòu)成與控制原理

4.1系統(tǒng)構(gòu)成

4.1.1變頻器的選擇。

集裝箱裝卸機(jī)的大、小車（平移機(jī)構(gòu)）拖動(dòng)系統(tǒng)對系統(tǒng)的性能要求不高，為了節(jié)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(jī)吊鉤（提升機(jī)構(gòu)）拖動(dòng)系統(tǒng)要求有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和調(diào)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(shù)特點(diǎn)：

a、 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：無PG矢量控制0.5Hz/150%（SVC）；有PG矢量控制0Hz/180%（VC）（零速全轉(zhuǎn)矩功能，又稱零伺服功能，即零速是電動(dòng)機(jī)仍然能輸出180%的額定轉(zhuǎn)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(diào)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(jī)的功率為：75kw。為了保證足夠的起動(dòng)和運(yùn)行力矩，故將變頻器的容量放大一個(gè)規(guī)格。選用：INVT-CHV100-090G-4型變頻器+I/O擴(kuò)展卡。為了節(jié)省成本，精簡控制系統(tǒng)，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(dòng)單元的選擇

變頻器的制動(dòng)單元應(yīng)加大一個(gè)檔次，以便允許有較大的制動(dòng)電流，縮短制動(dòng)過程；制動(dòng)電阻的額定功率應(yīng)加大一倍。故選用：DBU-055-4（2個(gè)并聯(lián)）、制動(dòng)電阻：13.6?/9600W（2個(gè)）。（也可以放大一個(gè)規(guī)格，直接選用能量回饋單元：RBU-110-4。）

4.2系統(tǒng)控制原理

4.2系統(tǒng)控制原理說明

4.2.1主令開關(guān)、超載、限位開關(guān)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(zhuǎn)、多段速、故障復(fù)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(shè)立數(shù)據(jù)讀取區(qū)及相關(guān)狀態(tài)標(biāo)志，用于監(jiān)視主鉤的高度、載荷、運(yùn)行狀態(tài)、故障信息等

（1-1）系統(tǒng)控制原理圖

5、變頻器接線、調(diào)試要點(diǎn)及參數(shù)設(shè)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(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、多段速、故障復(fù)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(lián)兩個(gè)DBU-055-4制動(dòng)單元和制動(dòng)電阻，用以消耗吊鉤下行過程中產(chǎn)生的能量，實(shí)現(xiàn)變頻器的四象限運(yùn)行。

（1-2）變頻器接線圖

5.2調(diào)試要點(diǎn)

5.2.1矢量參數(shù)的手動(dòng)調(diào)節(jié)

由于現(xiàn)場不能脫離負(fù)載，無法進(jìn)行參數(shù)自學(xué)習(xí)，故需要手動(dòng)更改適量控制參數(shù)，優(yōu)化控制性能。一般來說，可以遵循以下規(guī)律：低頻轉(zhuǎn)矩不夠，可以適當(dāng)加大定子電阻；轉(zhuǎn)差率大可以適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電阻。輸出電壓偏低，可以提高空載電流、定轉(zhuǎn)子電感和互感。此外，還可以適當(dāng)調(diào)節(jié) “電流環(huán)”和“速度環(huán)”PI參數(shù)，他們將直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(yùn)行時(shí)無法達(dá)到額定輸出轉(zhuǎn)矩，故需要借助一個(gè)FDT電平（繼電器2輸出）功能，來提升控制功能。即：設(shè)置一個(gè)合適的FDT電平檢測值，讓變頻器運(yùn)行到一定頻率后才打開機(jī)械抱閘裝置。FDT電平檢測值設(shè)置過高，容易跳“過載”或“過流” 故障；FDT電平設(shè)置過低又不能提起重物，此處最終設(shè)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(yùn)行時(shí)輸出一個(gè)控制信號去打開機(jī)械抱閘裝置。

5.2.3溜鉤問題處理

為了減少系統(tǒng)的“溜鉤”時(shí)間，盡量把減速時(shí)間設(shè)置得短些，此處設(shè)為0.1s。此外，PLC和變頻器時(shí)序邏輯的配合也相當(dāng)重要。

5.3參數(shù)設(shè)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(shè)定頻率
P0.11 1 加速時(shí)間0
P0.12 0.1 減速時(shí)間 0
P0.14 2 載波頻率設(shè)定
P2.01 50 電機(jī)額定頻率
P2.02 585 電機(jī)額定轉(zhuǎn)速
P2.03 380 電機(jī)額定電壓
P2.04 168 電機(jī)額定電流
P2.05 75 電機(jī)額定功率
P2.06 0.58 電機(jī)定子電阻
P2.07 0.58 電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻
P2.08 17.4 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子電感
P2.09 18.5 電機(jī)定、轉(zhuǎn)子互感
P2.10 38.22 電機(jī)空載電流
P3.14 170 轉(zhuǎn)矩上限設(shè)定
P5.00 2 HDI1為開關(guān)量輸入
P5.02 1 正轉(zhuǎn)運(yùn)行
P5.03 2 反轉(zhuǎn)運(yùn)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(fù)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(dòng)復(fù)位次數(shù)
P8.18 0.1 故障自動(dòng)復(fù)位間隔時(shí)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(tǒng)保護(hù)
該系統(tǒng)中，變頻器本身具有短路、過載、過壓、缺相、失速等多種保護(hù)和故障輸出功能，對吊鉤拖動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，變頻器驅(qū)動(dòng)一臺電動(dòng)機(jī)，所以變頻器的輸出可以直接連接電動(dòng)機(jī)而不必接熱繼電器作過載保護(hù)。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(hù)。司機(jī)可以通過聯(lián)動(dòng)臺中的啟停按鈕控制總接觸器進(jìn)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(guān)接通總斷路器分勵(lì)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(guān)和鑰匙開關(guān)作為安全保護(hù)措施。

7、結(jié)束語
有了功能完善、性能穩(wěn)定可靠的變頻器和PLC的有力支持，集裝箱裝卸機(jī)在可靠性、調(diào)速性能、節(jié)能和運(yùn)行效率等方面與傳統(tǒng)的集裝箱裝卸機(jī)相比有了很大的提高，變頻器和PLC構(gòu)成的集裝箱裝卸機(jī)系統(tǒng)成為目前集裝箱裝卸機(jī)的典型設(shè)計(jì)模式，應(yīng)用越來越廣泛。