基于ABB變頻器的抓斗式卸船機傳動系統的設計

　　ABB公司新一代產品ACS800系列變頻器（DTC）針對起重機的調速特性和工藝要求，設計可使抓斗式卸船機發揮出*性能，卸船周期的控制水平與技術zui熟練的起重機操作員不相上下甚至更勝*。傳動系統采用*的直接轉矩控制，達到了響應快、可靠性高、控制效果好的目的。本文對傳動系統電氣回路的設計進行了論述。
　　
　　1引言
　　
　　隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，傳統的起重機調速方法如:繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等，它們共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，要求定期維護，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高，并且調速系統的綜合技術指標較差。
　　
　　交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。
　　
　　ABB全新概念產品ACS800系列變頻器用于控制1.1～2800kW的交流電機，它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠式異步電動機，并且、節能，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的改善。其另外一大優點就是全功率范圍內統一使用了相同的控制技術，例如啟動向導，自定義編程，DTC控制，通用備件，通用的接口技術，以及用于選型、調試和維護的通用軟件工具。此項改進使得全系列配件達到了zui大限度的統一，給用戶帶來了巨大的經濟效益。
　　
　　2抓斗式卸船機示意圖、工作過程及對轉動系統的要求
　　
　　抓斗式卸船機是大型港口、電廠、冶金、化工等行業碼頭散狀貨物裝、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。
　　
　　其主要的工作過程為從船上將散貨抓起后運送至岸邊的傳送帶上。在其運動過程中主要包括起升、開合、俯仰、大車、小車等傳動點，它們分別由單獨的控制單元及逆變單元驅動，對變頻器控制精度要求較高。
　　
　　ACS800變頻器核心技術就是直接轉矩控制（DTC），是目前工業應用中*的交流異步電機控制方式。DTC的杰出的性能及ABB針對各種工業應用的控制宏，使得ACS800變頻器適用于各種領域并有著杰出的表現。圖2為DTC與PWM調速響應波形比較。
　　
　　ABB變頻器持續不斷的在完善用戶界面。啟動向導的使用，使ACS800變頻器的調試變得非常簡便。與傳統的參數編程相比，ACS800變頻器的自定義編程作為全系列的標準配置，就像傳動產品內置了小型的PLC，不需要添加任何附加的軟硬件就可實現強大的功能，具有更好的適應性。同時ACS800變頻器全系列已經內置了電抗器，無需用戶額外投資。
　　
　　此外，在ACS800變頻器內部還可以同時再安裝三個可選模塊:I/O擴展模塊，現場總線適配器模塊，脈沖編碼器接口模塊或PC機的接口模塊。對于這些模塊，無任何附加空間和電纜的要求。
　　
　　3設計方案
　　
　　根據用戶的要求和我們所了解的現場實際情況，我們將該提升系統的以下方案進行綜合設計:
　　
　　按照電壓等級，本系統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葾CU（輔助控制單元）ICU（進線控制單元）和DCU（傳動控制單元）組成。
　　
　　3.1傳動部分設計
　　
　　本系統中包括5個傳動點，分別由不同容量的變頻器進行控制。應用中用到的規格為ACS800-R7i和ACS800-R8i兩種不同的模塊。各模塊內部功率元件均為IGBT。其選型參考范圍為:
　　
　　R7i:55-160kW380-690V
　　
　　各傳動點由其各自的控制單元來控制，并且由PLC或上位機通過通訊器件進行協調控制以達到應用目的。
　　
　　由于應用對象——提升系統的四象限運行的特殊性，系統可以將電機在發電運行狀態下產生的電量回饋到電網中去，以達到節能的目的。在此運行狀態下，電路運行狀態相反。
　　
　　變頻器容量的選定一般要滿足表1所列的要求。
　　
　　式中:Pm-負載要求的電動機軸輸出，（kVA）;
　　
　　VN-額定輸出電壓（V）;
　　
　　IN-額定輸出電流（A）;
　　
　　η-電機效率;
　　
　　k-電流波形補償系數;
　　
　　-電機的功率因素。
　　
　　選用的變頻器的容量要比電機的額定容量大一檔。
　　
　　3.2供電單元選型及設計
　　
　?。?）濾波器單元（LCL）
　　
　　LCL濾波器單元由兩個規格為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行濾波，同時也可以防止電路中的高頻開關信號進入電網。該模塊主要由電感和電容構成。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的交流電轉換為變頻器可用的中間直流電。IGBT元件的觸發和關斷由控制部分的RMIO板進行控制。整流部分按照逆變部分同時工作時的zui大功率來選擇容量。
　　
　　本系統中整流部分采用的IGBT整流模塊為ACS-5
　　
　　IGBT供電單元包括一個IGBT供電模塊,一個進線濾波器（LCL濾波器）,交流和直流熔斷器及其他可選設備。IGBT供電模塊將輸入的三相交流電變為直流電向傳動單元中間直流回路供電。進而，中間直流回路向驅動電機的逆變器供電。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。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。通過對一個參數進行設置，可以使中間直流電路的電壓更高，以減少電網電壓擾動對傳動裝置的影響。
　　
　　案例應用：基于ABB變頻器的抓斗式卸船機傳動系統的設計
　　
　　http://www.bpq.hc360.com2013年06月13日08:41來源：中國工控網T|T
　　
　　ABB公司新一代產品ACS800系列變頻器（DTC）針對起重機的調速特性和工藝要求，設計可使抓斗式卸船機發揮出*性能，卸船周期的控制水平與技術zui熟練的起重機操作員不相上下甚至更勝*。傳動系統采用*的直接轉矩控制，達到了響應快、可靠性高、控制效果好的目的。本文對傳動系統電氣回路的設計進行了論述。
　　
　　1引言
　　
　　隨著工業生產對起重機調速性能要求的不斷提高，傳統的起重機調速方法如:繞線轉子異步電動機轉子串電阻調速、晶閘管定子調壓調速和串級調速等，它們共同的缺點是繞線轉子異步電動機有集電環和電刷，要求定期維護，再加上大量繼電器、接觸器的使用，致使現場維護量較大，調速系統的故障率較高，并且調速系統的綜合技術指標較差。
　　
　　交流變頻調速技術在工業界的廣泛應用，為交流異步電動機驅動的起重機大范圍、高質量地調速提供了全新的方案。
　　
　　ABB全新概念產品ACS800系列變頻器用于控制1.1～2800kW的交流電機，它具有高性能的調速指標，可以使用結構簡單、工作可靠、維護方便的鼠籠式異步電動機，并且、節能，維護工作量小，保護監測功能完善，運行可靠性較傳統的交流調速系統有較大的改善。其另外一大優點就是全功率范圍內統一使用了相同的控制技術，例如啟動向導，自定義編程，DTC控制，通用備件，通用的接口技術，以及用于選型、調試和維護的通用軟件工具。此項改進使得全系列配件達到了zui大限度的統一，給用戶帶來了巨大的經濟效益。
　　
　　2抓斗式卸船機示意圖、工作過程及對轉動系統的要求
　　
　　抓斗式卸船機是大型港口、電廠、冶金、化工等行業碼頭散狀貨物裝、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。
　　
　　其主要的工作過程為從船上將散貨抓起后運送至岸邊的傳送帶上。在其運動過程中主要包括起升、開合、俯仰、大車、小車等傳動點，它們分別由單獨的控制單元及逆變單元驅動，對變頻器控制精度要求較高。
　　
　　ACS800變頻器核心技術就是直接轉矩控制（DTC），是目前工業應用中*的交流異步電機控制方式。DTC的杰出的性能及ABB針對各種工業應用的控制宏，使得ACS800變頻器適用于各種領域并有著杰出的表現。圖2為DTC與PWM調速響應波形比較。
　　
　　ABB變頻器持續不斷的在完善用戶界面。啟動向導的使用，使ACS800變頻器的調試變得非常簡便。與傳統的參數編程相比，ACS800變頻器的自定義編程作為全系列的標準配置，就像傳動產品內置了小型的PLC，不需要添加任何附加的軟硬件就可實現強大的功能，具有更好的適應性。同時ACS800變頻器全系列已經內置了電抗器，無需用戶額外投資。
　　
　　此外，在ACS800變頻器內部還可以同時再安裝三個可選模塊:I/O擴展模塊，現場總線適配器模塊，脈沖編碼器接口模塊或PC機的接口模塊。對于這些模塊，無任何附加空間和電纜的要求。
　　
　　3設計方案
　　
　　根據用戶的要求和我們所了解的現場實際情況，我們將該提升系統的以下方案進行綜合設計:
　　
　　按照電壓等級，本系統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葾CU（輔助控制單元）ICU（進線控制單元）和DCU（傳動控制單元）組成。
　　
　　3.1傳動部分設計
　　
　　本系統中包括5個傳動點，分別由不同容量的變頻器進行控制。應用中用到的規格為ACS800-R7i和ACS800-R8i兩種不同的模塊。各模塊內部功率元件均為IGBT。其選型參考范圍為:
　　
　　R7i:55-160kW380-690V
　　
　　各傳動點由其各自的控制單元來控制，并且由PLC或上位機通過通訊器件進行協調控制以達到應用目的。
　　
　　由于應用對象——提升系統的四象限運行的特殊性，系統可以將電機在發電運行狀態下產生的電量回饋到電網中去，以達到節能的目的。在此運行狀態下，電路運行狀態相反。
　　
　　變頻器容量的選定一般要滿足表1所列的要求。
　　
　　式中:Pm-負載要求的電動機軸輸出，（kVA）;
　　
　　VN-額定輸出電壓（V）;
　　
　　IN-額定輸出電流（A）;
　　
　　η-電機效率;
　　
　　k-電流波形補償系數;
　　
　　-電機的功率因素。
　　
　　選用的變頻器的容量要比電機的額定容量大一檔。
　　
　　3.2供電單元選型及設計
　　
　　（1）濾波器單元（LCL）
　　
　　LCL濾波器單元由兩個規格為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行濾波，同時也可以防止電路中的高頻開關信號進入電網。該模塊主要由電感和電容構成。電感用于平波，電容用于過濾高次諧波。
　　
　?。?）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的交流電轉換為變頻器可用的中間直流電。IGBT元件的觸發和關斷由控制部分的RMIO板進行控制。整流部分按照逆變部分同時工作時的zui大功率來選擇容量。
　　
　　本系統中整流部分采用的IGBT整流模塊為ACS-5
　　
　　IGBT供電單元包括一個IGBT供電模塊,一個進線濾波器（LCL濾波器）,交流和直流熔斷器及其他可選設備。IGBT供電模塊將輸入的三相交流電變為直流電向傳動單元中間直流回路供電。進而，中間直流回路向驅動電機的逆變器供電。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。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。通過對一個參數進行設置，可以使中間直流電路的電壓更高，以減少電網電壓擾動對傳動裝置的影響。