吊具電纜盤驅(qū)動方式比較
文章出處：本站 人氣：27167 發(fā)表時間：2019-03-23 12:52:39
電纜盤橋吊吊具控制系統(tǒng)主要由電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)兩部分構(gòu)成，通過這兩部分的相互配合來控制整個系統(tǒng)，達到主起升機構(gòu)同步的目的。由于軟件編程靈活性高，電氣系統(tǒng)調(diào)整較為方便，同時可在定程度上彌補機械系統(tǒng)的不足，因此，吊具控制系統(tǒng)的改造重點般為電氣系統(tǒng)改造。吊具電纜卷盤驅(qū)動方式是吊具電氣控制的重要部分，本文介紹目前廣泛使用的磁滯變頻驅(qū)動方式和全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式，并比較其缺點，為吊具電纜卷盤驅(qū)動方式的選擇提供依據(jù)。
1 吊具電纜卷盤磁滯變頻驅(qū)動方式
1.1 磁滯變頻驅(qū)動方式的工作原理
橋吊吊具電纜卷盤屬于垂直移動供電，磁滯變頻驅(qū)動方式的工作原理如圖1所示。傳動機構(gòu)由2個磁滯動力頭組成，磁滯動力頭由磁滯聯(lián)軸器和變頻電機構(gòu)成，磁滯聯(lián)軸器的扭矩根據(jù)吊具的提升高度、速度、加速時間和電纜自重等參數(shù)確定。吊具電纜卷盤控制系統(tǒng)用于控制吊具電纜隨主起升機構(gòu)升降，并采集主起升機構(gòu)的速度和高度信號。電纜卷盤控制系統(tǒng)將主起升機構(gòu)高度信號轉(zhuǎn)化為吊具電纜在電纜卷盤上的位置，以確定電纜的運動半徑，進而將起升線速度轉(zhuǎn)化為電纜卷盤的角轉(zhuǎn)速，從而決定電纜卷盤驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速。磁滯變頻驅(qū)動方式的電機連接機構(gòu)示意如圖2所示。
磁滯聯(lián)軸器的工作原理如圖3所示。主動盤（感應(yīng)盤）和從動盤（永磁盤）通過磁耦合連接， 當(dāng)主動盤由電機帶動旋轉(zhuǎn)時，相對磁錯開個角度，磁力產(chǎn)生扭曲，磁系統(tǒng)位能升高，產(chǎn)生切力，牽引從動盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)主動盤與從動盤不同步時，磁力線被切割，產(chǎn)生大量熱能。磁滯聯(lián)軸器傳遞的扭矩越大，主、從動磁體的剩余磁感應(yīng)強度越大，兩盤的轉(zhuǎn)速滑差越大，磁滯聯(lián)軸器傳遞的熱量越大。當(dāng)磁滯聯(lián)軸器的力矩大于時，由于傳遞扭矩大，產(chǎn)生的熱量大，因此磁滯聯(lián)軸器使用壽命大幅縮短。
1.2 磁滯變頻驅(qū)動方式的運動狀態(tài)
1.2.1 主起升機構(gòu)上升
主系統(tǒng)控制合上、起升手柄向上，此時電纜卷盤先收到起升手柄命令，以20%的電機額定轉(zhuǎn)速進行正轉(zhuǎn)，由于磁滯聯(lián)軸器的力矩建立需要定時間，為保證跟隨效果，其在收到起升手柄命令后立即反饋電纜卷盤運行信號給主系統(tǒng)，主系統(tǒng)在收到電纜卷盤運行信號后才允許起升運行（速度勢能）。這樣在啟動時電纜卷盤能與主起升機構(gòu)較好地實現(xiàn)同步，電纜跟隨效果較為理想。當(dāng)主起升機構(gòu)速度大于1.5%的大速度時，電纜卷盤會根據(jù)主起升機構(gòu)的實時起升速度和高度，確定電機所需轉(zhuǎn)速。實際給定轉(zhuǎn)速比電機所需轉(zhuǎn)速快，使得主動盤與從動盤之間產(chǎn)生滑差，從而確保兩盤間具有定扭矩，使電纜卷盤始終保持張力以收取電纜。當(dāng)起升手柄回到零位時，電纜卷盤電機以20%的電機額定轉(zhuǎn)速正轉(zhuǎn)，以利于快速響應(yīng)及避免制動器頻繁抱閘；若內(nèi)主起升機構(gòu)無任何動作，則電纜卷盤停止運行。
1.2.2 主起升機構(gòu)下降
主系統(tǒng)控制合上、起升手柄向下，此時主起升機構(gòu)下降。若主起升機構(gòu)下降是在起升手柄上升停止后的延時運行內(nèi)，則當(dāng)主起升機構(gòu)下降速度不大于23%的大速度時，電機仍保持正轉(zhuǎn)運行。若主系統(tǒng)控制合上后主起升機構(gòu)次動作是下降運動或起升手柄上升停止后的延時已到，則：當(dāng)主起升機構(gòu)下降速度不大于23%的大速度時，電纜卷盤電機不運轉(zhuǎn)，電機制動器抱閘，相當(dāng)于實際給定轉(zhuǎn)速比電機所需轉(zhuǎn)速慢，使得主動盤與從動盤之間產(chǎn)生滑差，從而確保兩盤間具有定扭矩，電纜下行時有阻力且保持張緊；當(dāng)主起升機構(gòu)下降速度大于23%的大速度時，電纜卷盤控制系統(tǒng)根據(jù)主起升機構(gòu)的實時下降速度，確定電機所需轉(zhuǎn)速，同樣保證實際給定轉(zhuǎn)速比電機所需轉(zhuǎn)速慢，以保持電纜張緊。
1.2.3 主起升機構(gòu)停止
主系統(tǒng)控制關(guān)斷，主起升機構(gòu)停止。雖然兩盤間的滑差為零，但主動盤在從動盤的磁化作用下產(chǎn)生與向相反的磁場，異性相吸的磁力確保電纜不會因自重、風(fēng)載而下墜。
1.3 磁滯變頻驅(qū)動方式的缺點
1.3.1 主要點
（1）當(dāng)施加力矩大于磁滯聯(lián)軸器設(shè)定的扭矩值時，主動盤與從動盤之間會打滑，這在保護電纜方面具有其他驅(qū)動方式不可比擬的勢。
（2） 磁滯變頻驅(qū)動方式控制速度采用的是模糊控制概念，其對電纜卷盤的電控調(diào)試要求較低，對維護人員技術(shù)專業(yè)的要求也較低。
1.3.2 主要缺點
（1）對于加速度大于/s2的吊具電纜卷盤，由于磁滯聯(lián)軸器的“軟特性”，在其高速下降起升切換過程中，電纜跟隨效果較差。
（2）大扭矩磁滯聯(lián)軸器（T≥24 N m）由于傳遞扭矩大，產(chǎn)生的熱量大，在維護保養(yǎng)不當(dāng)?shù)那闆r下，潤滑脂易干涸、碳化，使得軸承得不到良好潤滑而損壞，從而導(dǎo)致磁滯聯(lián)軸器損壞。
（3）電機采用B5安裝方式，旦磁滯聯(lián)軸器損壞，易導(dǎo)致電機損壞。
（4）磁滯聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量大，電機額外消耗功率較大。
（5）磁滯聯(lián)軸器的損壞具有不可預(yù)見性，給碼頭正常生產(chǎn)帶來較大的不確定性。
2 吊具電纜卷盤全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式
由于吊具電纜卷盤磁滯變驅(qū)驅(qū)動方式在傳遞大扭矩時具有缺陷，因此將其改造成目前較為先進的驅(qū)動方式，即全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式。
2.1 全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的工作原理
全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的工作原理如圖4所示，其采用速度控制、力矩限幅閉環(huán)控制模式，主要由變頻調(diào)速電機、制動器、減速器、卷盤、吊具集電器、編碼器、電控系統(tǒng)等組成。變頻調(diào)速電機根據(jù)PLC收集的吊具起升高度、速度等信息，經(jīng)過自動計算，輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，同時通過減速器減速，驅(qū)動卷盤運行。在運行過程中，系統(tǒng)不斷檢測吊具電纜的提升速度和力矩，并實時自動修正，形成閉環(huán)控制，確保電纜速度始終準確地跟隨吊具實際速度，并使電纜在合理范圍內(nèi)受力。全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的電機連接機構(gòu)示意如圖5所示。
2.2 全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的運動狀態(tài)
2.2.1 吊具起升，電纜卷繞 吊具上升時，制動器（常閉型）得電打開，變頻調(diào)速電機正轉(zhuǎn)，通過彈性聯(lián)軸器驅(qū)動電纜卷盤轉(zhuǎn)動卷繞電纜。PLC根據(jù)收集的吊具起升速度、高度信息自動計算，給定電機轉(zhuǎn)速，并在運行過程中，不斷檢測和修正吊具變頻電機的轉(zhuǎn)速，以保證吊具電纜跟隨良好。若發(fā)生掛艙事故，則當(dāng)?shù)蹙呱霞芫彌_器行程達到大時觸發(fā)信號開關(guān)，吊具實施緊停，從而保護電纜不被拉斷。
2.2.2 吊具下降，電纜放纜
吊具下降時，制動器得電釋放，變頻調(diào)速電機反轉(zhuǎn)。PLC根據(jù)收集的吊具運行速度和高度等信息自動計算，給定電機反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；同時，變頻電機保持定的反轉(zhuǎn)扭矩，以保證電纜在下降過程中張緊。
2.2.3 吊具停止，電機停止運行
主系統(tǒng)控制關(guān)斷，主起升機構(gòu)停止，制動器不通電，處于制動狀態(tài)，確保吊具電纜不會因自重、風(fēng)載而下墜。
2.3 全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的缺點
2.3.1 主要點
（1）在全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式下，吊具電纜卷盤克服磁滯聯(lián)軸器的“軟特性”，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，電纜跟隨效果較好。
（2）電纜卷盤控制采用速度控制與力矩限幅閉環(huán)控制相結(jié)合的技術(shù)，結(jié)合吊具上架緩沖器的過緊限位開關(guān)，保證電纜在任何工況下的張力均不超過其許用拉力。
（3）電機采用單臺臥式安裝變頻調(diào)速電機，傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量小，其應(yīng)用場合不受電纜自重、起升高度、吊具加速度等的限制。
（4）電機采用彈性聯(lián)軸器與減速器連接，保養(yǎng)工作量小、維護簡單，配件價格也較低。
（5）電纜保護：限制電機給定電纜卷盤的力矩，確保電纜張力小于其許用拉力；吊具上架緩沖器的安裝有過緊限位開關(guān)，旦吊具電纜卷盤收、放纜速度與吊具速度不同步而造成緩沖器行程達到大值，緩沖器過緊限位立即觸發(fā)，電纜過緊信號發(fā)出，整個系統(tǒng)做出緊停動作從而保護電纜。
2.3.2 主要缺點
全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式缺少硬性連接，不具有磁滯聯(lián)軸打滑的特性，在吊具掛艙時，電纜保護程度取決于電纜卷盤系統(tǒng)的反應(yīng)速度。此外，該驅(qū)動方式下的電纜卷盤電控調(diào)試要求更為精細。
3 磁滯變頻驅(qū)動方式與全變頻閉環(huán)控制
驅(qū)動方式的比較
磁滯變頻驅(qū)動方式與全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的比較見表1。
4 結(jié)束語
本文通過介紹橋吊吊具電纜盤磁滯變頻驅(qū)動方式和全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式的工作原理和運動狀態(tài)，并比較兩種驅(qū)動方式的缺點，認為選用全變頻閉環(huán)控制驅(qū)動方式更適合目前橋吊作業(yè)要求，為橋吊吊具控制系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。
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