港口岸桥川直流电机非独立控制励磁 调速系统设计

王毅I,朱德平2,步长存3
(1.山东科技大学.山东 青岛266590 ; 2.青岛港前湾集装箱码头有限贵任公司,山东 青岛266500;
3.山东东山新驿煤矿有限公司,山东 济宁272000 )
摘 要:基于上海振华J15型岸边桥式起眉机的小车与俯仰机构进行电气控制系统改造设计,采用西门子6RA70驱 动器和GE9030控制器.完成了宜流电动机非独立控制励磁的双闭坏调压调速系统设计,制动抱闸设计和调速器故障 停机等设计,实现『小车与俯仰机构的起动、制动和调速的性能指标要求。
关键词:岸边桥式起重机;6RA70调速器;GE9030控制器;双闭环调速
中图分类号:U653.921; TM921.1 文献标志码:A 文章编号:2()95-7874(2014)09-(X)67-05 doi :10.7640/zggwjs201409018
Design of a non- independent excitation speed control system for DC motor of bridge crane
WANG Yi1, ZHU De- ping2, BU Chang- cun3
(1. Shandong University of Science and Technology, Qingdao. Shandong 266590, China; 2. Qingdao Qianwan Container Terminal Co., Ltd., Qingdao, Shandong 266500, China; 3. Siandong Dongshan Xinyi Coal Mine Co., Ltd., Jining, Shandong 272000. China)
Abstract: Based on the Trolley and Boom of Shanghai Zhenhua J15 shore bridge crane, we made an electrical control system design using Semens 6RA70 drive and GE9030 control I er to complete the double- loop pressure and speed control system design of the independent control of excitation of DC motor, brake design and governor downtime design, and realize the starting, braking and speed control performance requirements for the Trolley and Boom.
Key words: bridge crane; 6RA70 drive; GE9O3O controller; double-loop control

0引言
岸边桥式起重机(简称岸桥)是港口岸边从事 集装箱装卸生产的重要设备,它主要由门架、桥 架(俯仰)和起重小车组成其中俯仰和小车能 否正常高效运彳j•直接决定了生产效率。上海振华 重工集团有限公司制造的J15型集装箱岸桥,机 械自至800 t,额定起重量为40.51,起升高度32 m, 其俯仰和小车的电控系统均采用GE SERIESSIX PLC控制和DC- 300驱动,随着控制器件的更新 换代该电气控制系统已停产,在用电控系统面临 着元件老化,故障率高,无法购买备件等问题。 如果不进行升级改造,整台岸桥将被弃之不用, 造成企业的成本和资源浪费。
从改造工期,备件管理及现场技术等方面考 虑叫 选用西门子6RA70型驱动器替换DC300完 成对小车与俯仰电机的“一拖二”交替驱动设计, 采用GE9030型控制舞替代SERIESSIX PLC,如 图1所示为小车与俯仰机构的电气控制系统原理, GE9030 控制器 IC693 CPU350 与 CPU374 之间为 Genius通讯方式,主控制器CPU374与西门子 6RA70之间采用Profibus通讯方式。

图1小车与俯仰饥构电气控制系统原理图
Fig.1 Electrical control system principle of the Trolley and Boom
1驱动器选型
1.1 6RA70疝动器选型
本文驮动器所骤动的小车和俯仰的电机均为 ZZJ-814型,其铭牌数据:输入电压480 V,功率 112kW.电枢额定电流280 A.电枢额定电压440 VDC.转速500 r/min;励磁方式为他励.励磁电 压220 VDC.励磁电流9.2 A.转动惯跟0.75kg-m2, 最大过栽系数2
6RA70驱动器选型主要希虑3个因素:负裁 的额定电源电压、额定电枢电流和运行方式III 于小车和俯仰运行方式为四相限运行,同时考虑 到起重机电源电压波动较大,有时能超过10%. 因此弥动器的电压等级选择500 V级.初步选型 为6RA70XX-6GV62-Z,驱动器容最XX由驱动 器的额定电流决定.其额定参数如表1所示,
表1 6RA70额定参数表
Table 1 Nominal parameter of 6RA70


胆动器容量(电流)选型依据:1)驱动器额定 电流应大于电机电枢额定电流;2)牛动器最大过 载电流应大于电机最大过载电流
6RA70技大过载系数为1.8,电机最大过载系
数为2,计算驱动器电枢电流为

驱动器容最选择XX = 81或85.考虑驱动电 机线圈老化造成电机绝缘等级下降,以及岸桥频 繁启动、制动、过我的「•作特点.驱动器容呈选 择 XX = 85。
Z表示驱动器待选件,6RA70与9030实现 PROFIBUS通讯.须在6RA70上安装洒讯板CBP2 (选件G95),安装通讯板CBP2须安装总线适配 器(选件K11)和适配板(选件K01)
综上所述,该驱动器选型为:
6RA7085-6GV62-Z.其中 Z = K01 + K11 + G95O
1.2 6RA70驱动器型号校验
1) 6RA7085- 6GV62 特性
6RA7085- 6GV62驱动器负载连续T.作电流为 600 A.额定过载系数X = 1.2.其特性计算为

2)小车/俯仰电机特性
根据电机的铭牌数据计算电 机特性为


3) 6RA70调速器校核标准

综上,6RA7085- 6GV62的选型成立。
1.3 GE9030控制器速型
根据小车与俯仰电气控制系统的控制功能、 控制点数、信号类型.本文选用GE903。系列 IC693CPU374 控制器,配用电源 IC693PWR321. 数字扯愉入模块IC693MDL240(10块),数字帝输 出模块IC693MDL940(8块),模拟量输入输出模 块 IC693ALG442(1 块).
2非独立控制励磁调速系统设计
2.1调速指标
控制系统的调速指标要求如表2所示
将小车与俯仰的运行速度转化为电机转速为: 小车电机的控制转速490.4 r/min .俯仰电机的控制转速 500.3 r/min::


2.2直流电动机调速原理
他励直流电动机转速公式⑶为:


由公式(1)可知,他励​直流电动机可以通过 调节电枢电压Ud的方式实现调速目的。
2.3非独立控制励磁的调压调速系统设计
由于小车、俯仰没有测速装置,根据直流电 机感应电动势计算公式:


如果磁场强度由恒定,则转速与E成正比, 可以采用E的反馈信号代替转速n,由于感应也 动势E检测困难,根据公式(3)只需采集Ua和, 信号即可获得实际感应电动势的大小。

为确保电机调速的动态与稳态性能指标,电 枢回路采用转速、电流双闭环调速系统,励磁回 路采用电动势环和磁通环的双闭环控制方式,实 现恒定的磁通,图2所示为非独立控制励磁的调 压调速系统[4]的原理图。通过非独立控制励磁的调 压调速系统设计,能够使小车俯仰电机在基速以 下保持额定励磁不变,依靠转速、电流双闭环系 统调节电枢电压来控制转速,实现了满磁下的调 压调速。


图2非独立控制励磁的调压调速系统原理图
Fig.2 Pressureand velocity control system principled non- independent excitation
2.3.1电枢控制回路设计
6RA70驱动器电枢控制回路功能设计见图3 .

 

速度给定:速度给定是通过PLC将手柄编码 邪的值转换为一个整数,并通过Profibus通讯将 该值(K3002 )传递给6RA70的参数P644,同时把 控制字1的11位(B3111)和12位(B3112)赋值给P671和P672,实现对电机速度给定的正负选择。
斜坡函数发生器:将给定值变为一个随时间 连续变化的电压信号,参数P303和P304决定了 系统的加减速时间,根据小车加减速时间设定P303.1 = 5 s, P304.1 = 4 s;根据俯仰加减速时间 设定 P303.2 = 7s; P304.2 = 7 so
电流调节器:ACR采用PI调节器,其中P值 决定对输入响应的快速性,I值影响系统的稳态误 差。小车电流调节器的PI参数由P155.1 = 0.21, P156.1 = 0.032确定;俯仰电流调节器参数由 P155.2 = 0.22, P156.2 = 0.035 确定。
电流限幅值:ACR的输出限幅值决定了整流 器输出也压的最大值,参数设定的主要依据实际 负载的过载倍数。设定小车电流限幅值P171.1 = 150 %, P172.1 = – 150 % ;俯仰电流限幅值为 P171.2 = 180%, P172.2 = – 180%o
速度调节器:ASR采用PI调节器,使实际速 度跟随速度给定变化,实现稳态转速无静差。参 数设定依据是电机转速无波动。本系统中P、I参 数为自整定参数。实际速度反馈采用的是反电动 势反馈,设定P83=3‘,
速度限幅值:ASR的输出限幅值决定了 ACR 的给定最大值,该值的大小直接影响到系统动态过程中的超调量,本系统设定P512= 120%, P513 = -120%o
2.3.2磁场闭环设汁
磁场电流的闭环控制主要目的就是保持磁通 恒定。通过图2知将电动势给定信号己定义为 Em将AER输出限幅值也设定为额定励磁电流, 同时限定EMF最大反馈值E忡= 96%E.n。在基速 以下调速时始终小于E;使AER 一直处在饱和 状态,其输出电压总保持在限幅值饱上,使AFR 的给定值始终为额定励磁电流,通过AFR的调节 其输出始终保持为额定的励磁电流不变。通过 AFR调节器自动优化获得调节参数和相应的磁化 曲线:,
2.4制动器抱闸功能实现
小车电机与俯仰电机的选择抱闸方式均为工 作抱闸,其工作原理及控制方式相同,下面以小 车电机制动器抱闸为例进行设计。设P80=2,其 控制时序如图4所示。

由时序图知,当37、38号端子置1后,使能 调节器和触发脉冲,电机转矩建立,延时P87后, 抱闸打开;当37、38号端子置。时,抱闸闭合, 延时P88后,调节器封锁,转矩消失。
系统中令37、38号端子采集电机主接触检测 信号作为T/B运行和使能信号。设P87 = – 0.3 S, 表示抱闸打开前建立起力矩。设P88 = 1 S,表示 抱闸闭合后1 s转矩消失。抱闸输出端子为48、 54号端子,对应P772参数,设定P772 = B255,B255为抱闸释放的控制变量。
2.5调速器故障停机功能实现
当6RA70检测到故障后,其状态字K32的位 3置1,对应的开关量连接器B106 = 1o设定46、 47号输出端子参数P771 = 106,则9030PLC通过 中继器采集46、47号端子状态来控制小车、俯仰 机构的故障停机。
2.6小车和俯仰控制切换功能
设定6RA70的P676为B3300,可由控制字2的首位控制小车与俯仰的控制参数组切换。
3小车、俯仰实际运行波形分析
3.1小车机构的典型波形图分析
所设计小车的非独立控制励磁的双闭环调压 调速系统实际运行,通过Drivemonitor软件监测小 车运行状态,选取小车速度给定,实际转速、电 枢电流、磁场电流,EMF等作为监测变量,如图 5所示为小车带载40 %向后运行的监控波形。

分析小车的运行性能如下:
1) 系统动态性能。如图5所示的小车速度波 形,分析其加速和减速过程,转速超调量W2%, 加速时间约5.3 S,减速时间约为4 s,均符合调速 指标要求.小车加速阶段和减速阶段的电枢电流 较大,但均未超过最大限流值。
2) 系统稳态性能。如图5所示转速波形,小 车向前和向后运行稳定后,实际转速与给定转速 波形曲线基本重合,且无波动,稳态转速无静差。
如图5电枢电流波形,小车稳定运行后,电 流波形比较光滑,无剧烈的振荡和尖峰,但波形 有波动。分析其原因为,系统稳定时电机电磁转 矩与负载转矩关系方程式为

在磁通巾保持不变的情况下,电枢电流与负 载大小成正比,由于小车运行过程中负载不断变 化,所以电枢电流波形有波动。
如图5所示励磁电流波形,磁场电流在运行 过程中基本保持不变,符合本系统EMF闭环设计 磁通保持不变的特征。
3.2 俯仰机构运行的典型波形图分析
将运行机构切换到俯仰双闭环调压调速系统 运行,采集俯仰向上波形如图6所示。俯仰运行波形分析方法同小车相似,不同的是俯仰机构为 势能性负载,其转矩计算公式为


其中:G为大梁重力;L为大梁长度;。为大梁与水 平面的夹角范围为0。~80。”由公式(6)可知:在 俯仰上升过程中L随着«增大而减小,对应■逐 渐减小。因此,如图6所示俯仰电枢电流表现为 电流波形不断下滑

4结语
新系统白2012年5月在某港口 7号岸桥投入 使用至今,各机构一直运行良好,故障率低,效 率高,维修方便,降低了工人劳动强度,避免了 因备件导致的长时间故障停机和资源浪费,, 参考文献:
[1] 张浩星.50t-50 m岸边集装箱起重:机中国港湾建设,2001 (1):45- 47.
ZHANG Hao- xing. 50 t- 50 m qua side container crane[J|. China Harbour Engineering, 2001 ⑴:45・47.
[2] 王绷远.散货港口起重:机远程监控系统的研究水运T程, 2008(10):187- 193.
WANG Xi – yuan. On bulk cargo harbor crane remote monitor system exploiture disquisition[J]. Port & Waterway Engineering. 2008 (10):187-193.
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[4] 陈伯时.电力拖动自动控制系统网.北京:机械T业出版社, 2003.
CHEN Bo- shi. Electric drive automatic control system[M]. Beijing: China Machine Press,2003.
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