基于ABB變頻器acs800的抓斗式卸船機(jī)傳動系統(tǒng)的設(shè)計浙江樂清電廠

1、1引言隨著工業(yè)生產(chǎn)對起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法如:繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速和串級調(diào)速等，它們共同的缺點(diǎn)是繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)有集電環(huán)和電刷，要求定期維護(hù)，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現(xiàn)場維護(hù)量較大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率較高，并且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)較差。交流變頻調(diào)速技術(shù)在工業(yè)界的廣泛應(yīng)用，為交流異步電動機(jī)驅(qū)動的起重機(jī)大范圍、高質(zhì)量地調(diào)速提供了全新的方案。abb全新概念產(chǎn)品acs800系列變頻器用于控制1.12800kw的交流電機(jī)，它具有高性能的調(diào)速指標(biāo)，可以使用結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、維護(hù)方便的鼠籠式異步電動機(jī)，并且高效、節(jié)能，維護(hù)工作量小，

2、保護(hù)監(jiān)測功能完善，運(yùn)行可靠性較傳統(tǒng)的交流調(diào)速系統(tǒng)有較大的改善。其另外一大優(yōu)點(diǎn)就是全功率范圍內(nèi)統(tǒng)一使用了相同的控制技術(shù)，例如啟動向?qū)В远x編程，dtc控制，通用備件，通用的接口技術(shù)，以及用于選型、調(diào)試和維護(hù)的通用軟件工具。此項改進(jìn)使得全系列配件達(dá)到了最大限度的統(tǒng)一，給用戶帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。2抓斗式卸船機(jī)示意圖、工作過程及對轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的要求抓斗式卸船機(jī)是大型港口、電廠、冶金、化工等行業(yè)碼頭散狀貨物裝、卸船重要裝備之一，適用于包括煤、礦石、水泥、化工原料、糧食等散狀貨物的裝卸。抓斗式卸船機(jī)外觀示意圖如圖1所示。圖1抓斗式卸船機(jī)其主要的工作過程為從船上將散貨抓起后運(yùn)送至岸邊的傳送帶上。在其運(yùn)動過程

3、中主要包括起升、開合、俯仰、大車、小車等傳動點(diǎn)，它們分別由單獨(dú)的控制單元及逆變單元驅(qū)動，對變頻器控制精度要求較高。acs800變頻器核心技術(shù)就是直接轉(zhuǎn)矩控制(dtc)，是目前工業(yè)應(yīng)用中先進(jìn)的交流異步電機(jī)控制方式。dtc的杰出的性能及abb針對各種工業(yè)應(yīng)用的專用控制宏，使得acs800變頻器適用于各種領(lǐng)域并有著杰出的表現(xiàn)。圖2為dtc與pwm調(diào)速響應(yīng)波形比較示意圖。圖2dtc控制與pwm控制響應(yīng)波形比較abb變頻器持續(xù)不斷的在完善用戶界面。啟動向?qū)У氖褂?，使acs800變頻器的調(diào)試變得非常簡便。與傳統(tǒng)的參數(shù)編程相比，acs800變頻器的自定義編程作為全系列的標(biāo)準(zhǔn)配置，就像傳動產(chǎn)品內(nèi)置了小型的pl

4、c，不需要添加任何附加的軟硬件就可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，具有更好的適應(yīng)性。同時acs800變頻器全系列已經(jīng)內(nèi)置了電抗器，無需用戶額外投資。此外，在acs800變頻器內(nèi)部還可以同時再安裝三個可選模塊:i/o擴(kuò)展模塊，現(xiàn)場總線適配器模塊，脈沖編碼器接口模塊或pc機(jī)的接口模塊。對于這些模塊，無任何附加空間和電纜的要求。3設(shè)計方案根據(jù)用戶的要求和我們所了解的現(xiàn)場實(shí)際情況，我們將該提升系統(tǒng)的以下方案進(jìn)行綜合設(shè)計:按照電壓等級，本系統(tǒng)劃分為傳動部分和控制部分。傳動部分主要由isu(igbt供電單元)、以及多個inu(逆變單元)組成?？刂撇糠种饕蒩cu(輔助控制單元)icu(進(jìn)線控制單元)和dcu(傳動控制單元

5、)組成。3.1傳動部分設(shè)計本系統(tǒng)中包括5個傳動點(diǎn)，分別由不同容量的變頻器進(jìn)行控制。應(yīng)用中用到的規(guī)格為acs800-r7i和acs800-r8i兩種不同的模塊。各模塊內(nèi)部功率元件均為igbt。其選型參考范圍為:r7i: 55-160kw 380-690vr8i:200-5600kw 380-690v各傳動點(diǎn)由其各自的控制單元來控制，并且由plc或上位機(jī)通過通訊器件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制以達(dá)到應(yīng)用目的。由于應(yīng)用對象提升系統(tǒng)的四象限運(yùn)行的特殊性，系統(tǒng)可以將電機(jī)在發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的電量回饋到電網(wǎng)中去，以達(dá)到節(jié)能的目的。在此運(yùn)行狀態(tài)下，電路運(yùn)行狀態(tài)相反。變頻器容量的選定一般要滿足表1所列的要求。表1變頻器容量選

6、擇式中: pm-負(fù)載要求的電動機(jī)軸輸出，(kva);vn-額定輸出電壓(v);in -額定輸出電流(a）; -電機(jī)效率;k -電流波形補(bǔ)償系數(shù);-電機(jī)的功率因素。選用的變頻器的容量要比電機(jī)的額定容量大一檔。3.2供電單元選型及設(shè)計(1)濾波器單元(lcl)lcl濾波器單元由兩個規(guī)格為r8i的濾波器模塊組成。主要用來對電路輸入端的高頻和中頻信號進(jìn)行濾波，同時也可以防止電路中的高頻開關(guān)信號進(jìn)入電網(wǎng)。該模塊主要由電感和電容構(gòu)成。電感用于平波，電容用于過濾高次諧波。(2)igbt供電單元igbt供電單元是整流部分的核心部件。其主要功能是將來自電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為變頻器可用的中間直流電。igbt元件的觸發(fā)

7、和關(guān)斷由控制部分的rmio板進(jìn)行控制。整流部分按照逆變部分同時工作時的最大功率來選擇容量。本系統(tǒng)中整流部分采用的igbt整流模塊為acs800-204-1510-5，其原理圖如圖3所示。圖3供電單元原理圖igbt 供電單元包括一個 igbt供電模塊,一個進(jìn)線濾波器 (lcl 濾波器),交流和直流熔斷器及其他可選設(shè)備。 igbt 供電模塊將輸入的三相交流電變?yōu)橹绷麟娤騻鲃訂卧虚g直流回路供電。進(jìn)而，中間直流回路向驅(qū)動電機(jī)的逆變器供電。中間直流回路可以接入多個逆變器(又稱多傳動)。線路濾波器(lcl)用來抑制交流電壓畸變和電流諧波。igbt 供電單元是一個四象限脈沖整流器, 四象限脈沖整流器可以向

8、中間直流回路供電，也可以將中間直流回路的能量回饋回電網(wǎng)。一般情況下，四象限脈沖整流器將中間直流回路的電壓控制在輸入線電壓峰值以下。通過對一個參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可以使中間直流電路的電壓更高，以減少電網(wǎng)電壓擾動對傳動裝置的影響。其輸入交流電壓和電流波形如圖4所示。圖4供電單元輸入波形變壓器輸出端電壓頻譜如圖5所示。圖中，縱坐標(biāo)對應(yīng)每次諧波電壓與基波電壓的比值。 橫坐標(biāo)n 表示諧波次數(shù)。圖5變壓器輸出電壓頻譜系統(tǒng)中帶有兩個外形尺寸為r8i 模塊的供電單元。圖6供電單元和進(jìn)線控制單元圖6所示的的框圖顯示了igbt 供電單元和進(jìn)線控制單元的概貌。3.3控制部分設(shè)計(1)輔助控制單元acu輔助控制單元包括輔助

9、開關(guān)(對模塊電容進(jìn)行充電并與主電路進(jìn)行供電切換)，熔斷器，接觸器，斷路器等控制元件。acu的主要功能是對控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯控制，通過io信號控制板控制整流模塊的igbt元件的導(dǎo)通及關(guān)斷，以及實(shí)現(xiàn)急停、通訊等功能。(2)進(jìn)線控制單元icu 進(jìn)線控制單元包括的主要器件是空氣斷路器和充電電阻。對于大功率的供電單元，空氣斷路器用于傳動系統(tǒng)的交流進(jìn)線開關(guān)控制。(3)傳動控制單元dcu:本系統(tǒng)包括兩個獨(dú)立的傳動控制單元。其中一個用于控制兩個2×r8i傳動點(diǎn);另外一個用于控制一個單獨(dú)的r8i傳動點(diǎn)。兩個r7i模塊的控制部分與模塊裝在同一個柜體中。傳動控制單元主要用于控制逆變器中igbt觸發(fā)與關(guān)斷、與

10、plc和上位機(jī)進(jìn)行通訊、接受電機(jī)的速度反饋信號。同時它也有單獨(dú)的功能可用來防止逆變模塊的誤啟動。系統(tǒng)示意圖如圖7所示。圖7系統(tǒng)示意圖 系統(tǒng)接線圖如圖8所示。圖8系統(tǒng)單線圖變頻器柜體按照運(yùn)輸要求整個系統(tǒng)被分為兩個運(yùn)輸單元(transportation length)。兩單元中間配置一個200mm連接柜，柜中有接線端子及連接母排。最終柜體外觀圖如圖9所示。 圖9柜體效果圖 4應(yīng)用案例浙能樂清電廠專用配套煤炭接卸碼頭岸線長500m，5萬t泊位2個，位置在溫州甌江口外樂清灣內(nèi)，設(shè)計接卸能力700萬t/年。其使用的由上海振華港機(jī)公司(zpmc)生產(chǎn)的抓斗式卸船機(jī)，采用abb acs 800 系列變頻器作為傳動控制設(shè)備,它保證了這種大型設(shè)備的控制性能和生產(chǎn)能力。5應(yīng)用情況和應(yīng)用效果柜體采用緊湊化設(shè)計，為用戶節(jié)省了不少寶貴空間。系統(tǒng)采用plc和變頻器調(diào)速系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)簡化，可靠性大為提高，調(diào)速質(zhì)量提高明顯，調(diào)速精度可達(dá)1%，且調(diào)速平穩(wěn)，定位準(zhǔn)確，達(dá)到零速滿轉(zhuǎn)矩輸出。6結(jié)