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1 引言

随着工业生产对起重机调速性能要求的不断提高,传统的起重机调速方法如:绕线转子异步电动机转子串电阻调速、晶闸管定子调压调速和串级调速等,它们共同的缺点是绕线转子异步电动机有集电环和电刷,要求定期维护,再加上大量继电器、接触器的使用,致使现场维护量较大,调速系统的故障率较高,并且调速系统的综合技术指标较差。

交流变频调速技术在工业界的广泛应用,为交流异步电动机驱动的起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。

abb全新概念产品acs800系列变频器用于控制1.1~2800kw的交流电机,它具有高性能的调速指标,可以使用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼式异步电动机,并且高效、,维护工作量小,保护监测功能完善,运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的改善。其另外一大优点就是全功率范围内统一使用了相同的控制技术,例如启动向导,自定义编程,dtc控制,通用备件,通用的接口技术,以及用于选型、调试和维护的通用软件工具。此项改进使得全系列配件达到了最大限度的统一,给用户带来了巨大的经济效益。

2 抓斗式卸船机示意图、工作过程及对转动系统的要求

抓斗式卸船机是大型港口、电厂、、化工等行业码头散状货物装、卸船重要装备之一,适用于包括煤、矿石、水泥、化工原料、粮食等散状货物的装卸。

抓斗式卸船机外观示意图如图1所示。

图1 抓斗式卸船机

其主要的工作过程为从船上将散货抓起后运送至岸边的传送带上。在其运动过程中主要包括起升、开合、俯仰、大车、小车等传动点,它们分别由单独的控制单元及逆变单元驱动,对变频器控制精度要求较高。

acs800变频器核心技术就是直接转矩控制(dtc),是目前工业应用中先进的交流异步电机控制方式。dtc的杰出的性能及abb针对各种工业应用的专用控制宏,使得acs800变频器适用于各种领域并有着杰出的表现。图2为dtc与pwm调速响应波形比较示意图。

图2 dtc控制与pwm控制响应波形比较

abb变频器持续不断的在完善用户界面。启动向导的使用,使acs800变频器的调试变得非常简便。与传统的参数编程相比,acs800变频器的自定义编程作为全系列的标准配置,就像传动产品内置了小型的plc,不需要添加任何附加的软硬件就可实现强大的功能,具有更好的适应性。同时acs800变频器全系列已经内置了电抗器,无需用户额外投资。

此外,在acs800变频器内部还可以同时再安装三个可选模块:i/o扩展模块,现场总线适配器模块,脉冲编码器接口模块或pc机的接口模块。对于这些模块,无任何附加空间和电缆的要求。

3 设计方案

根据用户的要求和我们所了解的现场实际情况,我们将该提升系统的以下方案进行综合设计:

按照电压等级,本系统划分为传动部分和控制部分。传动部分主要由isu(igbt供电单元)、以及多个inu(逆变单元)组成。控制部分主要由acu(辅助控制单元)icu(进线控制单元)和dcu(传动控制单元)组成。

3.1 传动部分设计

本系统中包括5个传动点,分别由不同容量的变频器进行控制。应用中用到的规格为acs800-r7i和acs800-r8i两种不同的模块。各模块内部功率元件均为igbt。其选型参考范围为:

r7i: 55-160kw 380-690v

r8i:200-5600kw 380-690v

各传动点由其各自的控制单元来控制,并且由plc或上位机通过通讯器件进行协调控制以达到应用目的。

由于应用对象——提升系统的四象限运行的特殊性,系统可以将电机在发电运行状态下产生的电量回馈到电网中去,以达到节能的目的。在此运行状态下,电路运行状态相反。

变频器容量的选定一般要满足表1所列的要求。

表1 变频器容量选择

式中: pm-负载要求的电动机轴输出,(kva);

vn-额定输出电压(v);

in -额定输出电流(a);

η-电机效率;

k -电流波形补偿系数;

-电机的功率因素。

选用的变频器的容量要比电机的额定容量大一档。

3.2 供电单元选型及设计

(1)滤波器单元(lcl)

lcl滤波器单元由两个规格为r8i的滤波器模块组成。主要用来对电路输入端的高频和中频信号进行滤波,同时也可以防止电路中的高频开关信号进入电网。该模块主要由电感和电容构成。电感用于平波,电容用于过滤高次谐波。

(2)igbt供电单元

igbt供电单元是整流部分的核心部件。其主要功能是将来自电网的交流电转换为变频器可用的中间直流电。igbt元件的触发和关断由控制部分的rmio板进行控制。整流部分按照逆变部分同时工作时的最大功率来选择容量。

本系统中整流部分采用的igbt整流模块为acs800-204-1510-5,其原理图如图3所示。

图3 供电单元原理图

igbt 供电单元包括一个 igbt供电模块,一个进线滤波器 (lcl 滤波器),交流和直流熔断器及其他可选设备。 igbt 供电模块将输入的三相交流电变为直流电向传动单元中间直流回路供电。进而,中间直流回路向驱动电机的逆变器供电。中间直流回路可以接入多个逆变器(又称多传动)。线路滤波器(lcl)用来抑制交流电压畸变和电流谐波。igbt 供电单元是一个四象限脉冲整流器, 四象限脉冲整流器可以向中间直流回路供电,也可以将中间直流回路的能量回馈回电网。一般情况下,四象限脉冲整流器将中间直流回路的电压控制在输入线电压峰值以下。通过对一个参数进行设置,可以使中间直流电路的电压更高,以减少电网电压扰动对传动装置的影响。

其输入交流电压和电流波形如图4所示。

图4 供电单元输入波形

变压器输出端电压频谱如图5所示。图中,纵坐标对应每次谐波电压与基波电压的比值。 横坐标n 表示谐波次数。

图5 变压器输出电压频谱

系统中带有两个外形尺寸为r8i 模块的供电单元。

图6 供电单元和进线控制单元

图6所示的的框图显示了igbt 供电单元和进线控制单元的概貌。

3.3 控制部分设计

(1)辅助控制单元acu

辅助控制单元包括辅助开关(对模块电容进行充电并与主电路进行供电切换),熔断器,接触器,断路器等控制元件。acu的主要功能是对控制系统实现逻辑控制,通过io信号控制板控制整流模块的igbt元件的导通及关断,以及实现急停、通讯等功能。

(2)进线控制单元icu

进线控制单元包括的主要器件是空气断路器和充电电阻。对于大功率的供电单元,空气断路器用于传动系统的交流进线开关控制。

(3)传动控制单元dcu:

本系统包括两个独立的传动控制单元。其中一个用于控制两个2×r8i传动点;另外一个用于控制一个单独的r8i传动点。两个r7i模块的控制部分与模块装在同一个柜体中。传动控制单元主要用于控制逆变器中igbt触发与关断、与plc和上位机进行通讯、接受电机的速度反馈信号。同时它也有单独的功能可用来防止逆变模块的误启动。

系统示意图如图7所示。

图7 系统示意图

系统接线图如图8所示。

图8 系统单线图

变频器柜体按照运输要求整个系统被分为两个运输单元(transportation length)。两单元中间配置一个200mm连接柜,柜中有接线端子及连接母排。

最终柜体外观图如图9所示。

图9 柜体效果图

4 应用案例

浙能乐清电厂专用配套煤炭接卸码头岸线长500m,5万t泊位2个,位置在温州瓯江口外乐清湾内,设计接卸能力700万t/年。其使用的由上海振华港机公司(zpmc)生产的抓斗式卸船机,采用abb acs 800 系列变频器作为传动控制设备,它保证了这种大型设备的控制性能和生产能力。

5 应用情况和应用效果

柜体采用紧凑化设计,为用户节省了不少宝贵空间。系统采用plc和变频器调速系统后,控制系统简化,可靠性大为提高,调速质量提高明显,调速精度可达1%,且调速平稳,定位准确,达到零速满转矩输出。

6 结束语

abb新一代产品acs 800采用目前工业应用中先进的交流异步电机控制方式-dtc。其在提升机传动系统中的使用,解决了旧的调速系统所存在的故障率高、线路复杂、不能平滑调速、维护量大等弊病,同时也简化了设计工作,使电气控制系统上了一个新台阶。其可靠性和先进性是旧的调速系统所无法比拟的,并以其优越的性能价格比受到了用户的欢迎。

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