التحكم في سرعة إضعاف المجال في نظام محرك الرافعة: المبادئ والتطبيق

يُستخدم نظام التحكم في سرعة محرك الرافعة بتقنية إضعاف المجال المغناطيسي بشكل شائع في آليات الرفع لتحسين كفاءة التشغيل. الفكرة الأساسية بسيطة: يعمل المحرك بأقصى سرعة في حالة عدم وجود حمل، ويعمل بالسرعة المقدرة تحت الحمل الثقيل، ويستخدم منحنى إضعاف المجال المغناطيسي المحسوب لتحديد السرعة المناسبة للأحمال الواقعة بين الحمل الثقيل وعدم وجود حمل.

بالنسبة لمحركات الرفع في الرافعات العلوية والرافعات الجسرية، يساعد هذا في زيادة سرعة الرفع في ظروف عدم وجود حمولة أو وجود حمولة خفيفة، وتقليل وقت الرفع، وتقصير دورة العمل، وتحسين إنتاجية المعدات.

تتطلب بعض التطبيقات الخاصة اتباع بيانات التصميم الخاصة بها. على سبيل المثال، في رافعة جسرية لبناء السفن، إذا كانت سرعات عدم التحميل ونصف التحميل والتحميل الكامل هي 3 و6 و9 أمتار/دقيقة على التوالي، ولم تصل نسبة إضعاف مجال المحرك إلى ثلاثة أضعاف السرعة المقدرة، فقد تكون سرعة التشغيل عند التحميل الكامل أقل من السرعة المقدرة.

تستخدم المناقشة التالية رافعات أرصفة الحاويات ورافعات تفريغ السفن كأمثلة، نظرًا لمتطلبات الكفاءة العالية لكليهما. لا يصل حمل آلية الرفع إلى الحمل المقنن في كل دورة. بالنسبة لرافعة أرصفة الحاويات، يتراوح وزن الحاوية عادةً بين 3 و40 طنًا، اعتمادًا على البضائع الموجودة بداخلها. عندما يكون الحمل ثقيلًا، تكون سرعة الرفع منخفضة. أما عندما يكون الحمل خفيفًا، فيمكن زيادة سرعة الرفع، مما يقلل زمن الدورة من جانب المعدات.

تتميز ظروف تشغيل رافعة تفريغ السفن بالبساطة النسبية. فخلال مرحلة فتح الباب بالكامل، يكون تفريغ الحمولة عادةً قريبًا من الحمولة الكاملة. وعند فتح الذراع، يكون النظام تحت حمل خفيف، لذا يحتاج النظام بشكل أساسي إلى نطاقي سرعة عالية ومنخفضة. أما خلال مرحلة التنظيف، فيختلف وزن المواد المفرغة اختلافًا كبيرًا في كل مرة. في هذه الحالة، يمكن للتشغيل بحمل خفيف وسرعة عالية أن يقلل بشكل ملحوظ من دورة العمل.

مبدأ التحكم في سرعة إضعاف المجال

كما هو موضح في الشكل 1-1، يمثل الخط المتصل العلاقة بين السرعة والطاقة، بينما يمثل الخط المتقطع العلاقة بين السرعة وعزم الدوران الناتج.

عندما يتسارع المحرك من سرعة صفرية إلى السرعة المقننة n_N، تتناسب قدرة خرج المحرك طرديًا مع السرعة، بينما يبقى عزم الخرج عند عزم الخرج المقنن. يُطلق على هذا النطاق اسم نطاق خصائص عزم الدوران الثابت.

عندما يعمل المحرك من سرعته المقننة (n_N) إلى سرعته القصوى (n_max)، تظل قدرة خرج المحرك ثابتة عند القدرة المقننة، بينما يتناسب عزم الخرج عكسيًا مع السرعة. يُطلق على هذا النطاق اسم نطاق خصائص القدرة الثابتة.

ترتبط المنحنيات S1 و S3-60% و S3-40% و S3-25% في الشكل 1-1 بأداء المحرك، وهي معروضة فقط كأمثلة.

عندما يصل الحمل إلى الحمل المقنن، يعمل المحرك بسرعة أقل من السرعة المقننة ويبقى ضمن نطاق عزم الدوران الثابت. يمكن أن يظل عزم الدوران الناتج ثابتًا، بينما تعتمد القدرة الناتجة على سرعة المحرك.

عندما يكون الحمل أقل من الحمل المقنن، يمكن للمحرك أن يدخل نطاق إضعاف المجال ويعمل بسرعة أعلى من السرعة المقننة. في نطاق القدرة الثابتة هذا، تبقى القدرة الخارجة ثابتة ويتناقص عزم الدوران الخارج مع زيادة سرعة المحرك.

في أعمال التصميم، ينبغي مراعاة منحنى خصائص حد الجهد وحد السرعة الميكانيكية بعناية. ويجب أن يحافظ التشغيل الفعلي على هامش معقول من هذه الحدود.

منحنى إضعاف المجال وكشف وزن الحمل

يمكن حساب منحنى إضعاف المجال من الأداء الميكانيكي، وعادةً ما توفره الشركة المصنعة الأصلية. بعد الحصول على منحنى إضعاف المجال، يمكن ضبطه في برنامج التحكم بهامش معين، مثل 5%.

تعتمد فكرة التحكم في السرعة تبعاً للحمل على الكشف الدقيق عن وزن الحمل. عملياً، غالباً ما يكون الكشف عن الحمل أحد أصعب جوانب هذه العملية.

الطريقة الأولى: الكشف عن الحمولة بواسطة مستشعر الوزن

أثناء تسارع الرفع، يحسب برنامج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة وزن الحمولة من الإشارة التناظرية لمستشعر الوزن. ثم يحسب سرعة المحرك المرجعية من وزن الحمولة ومنحنى إضعاف المجال، ويرسل هذه القيمة المرجعية إلى العاكس، بحيث يعمل المحرك بالسرعة المحسوبة.

مع ذلك، قد تنحرف بيانات مستشعر الوزن، ويصعب ضمان دقة القياس، مما يُشكل خطراً كبيراً. فإذا كانت سرعة إضعاف المجال المحسوبة غير دقيقة، فقد تكون السرعة مرتفعة للغاية، بينما قد يكون عزم دوران محرك الرافعة غير كافٍ. وهذا قد يؤدي إلى حادث فقدان السيطرة، مثل تجاوز السرعة المحددة.

الطريقة الثانية: تقدير الحمل عن طريق تيار المحرك

لحل مشكلة دقة مستشعرات الوزن، يمكن تطبيق طريقة شائعة لتقدير الحمل في برنامج وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC). يُستخدم تيار محرك الرافعة لحساب وزن الحمل. في حالة التشغيل المستقر للمحرك، يتناسب عزم دوران خرج المحرك طرديًا مع وزن الحمل، ويتناسب تيار المحرك تقريبًا طرديًا مع عزم الدوران. لذلك، يمكن استخدام تيار المحرك لتقدير وزن الحمل.

كما هو موضح في الشكل 1-2، أثناء التسارع، يتضمن عزم دوران خرج المحرك أربعة أجزاء، ويكون M_LOAD متناسبًا مع الحمل.

يجب تحديد معامل التناسب K بين تيار المحرك A والحمل T عن طريق القياس الفعلي أثناء التشغيل:

T = K x A

طريقة القياس هي كالتالي:

• ارفع حمولة معروفة T_LOAD حتى تصبح معلقة فوق الأرض، ثم قم بتسريعها من حالة السكون إلى السرعة الأساسية، أو السرعة المقدرة.
• احصل على قيمة تيار المحرك A. يجب أخذ عينات التيار أثناء مرحلة التسارع، حيث يجب حساب سرعة إضعاف المجال من وزن الحمل أثناء التسارع. ولتحسين دقة البيانات، يُنصح بأخذ العينات في منتصف التسارع. على سبيل المثال، إذا كان زمن التسارع من الصفر إلى السرعة الأساسية 3 ثوانٍ، فيمكن بدء أخذ العينات بعد 1.5 ثانية من التشغيل. خذ عينة كل 100 مللي ثانية، واجمع 5 عينات إجمالاً، واستخدم متوسط هذه العينات الخمس كقيمة تيار المحرك A_M.
• احسب قيمة K: K = T_LOAD / A_M
• أثناء التشغيل الفعلي، اقرأ القيمة الحالية A باستخدام نفس الطريقة. ثم احسب وزن الحمل باستخدام T = K x A، واجمع النتيجة مع منحنى إضعاف المجال لحساب سرعة إضعاف مجال المحرك.

نقاط مهمة:

• لأسباب تتعلق بالسلامة، إذا فشلت عملية أخذ العينات الحالية أو كانت نتيجة أخذ العينات غير مؤكدة، فيجب السماح للمحرك بالعمل فقط بالسرعة المقدرة.
• يمكن أيضًا استخدام سرعة إضعاف المجال المحسوبة أثناء الرفع كمرجع للإنزال.
• بعد انتهاء كل دورة تشغيل، يجب إعادة ضبط سرعة إضعاف المجال إلى السرعة المقدرة. ولا يتم تحديث مرجع السرعة إلا بعد إعادة حساب سرعة إضعاف المجال بشكل صحيح.

ملاحظات حول تنفيذ وتحديث منتجات سيمنز

استخدمت أنظمة سيمنز المبكرة لوحات تقنية مثل T300، التي دمجت وظيفة التحكم في سرعة إضعاف المجال. لم يكن المستخدمون بحاجة إلا إلى تطوير تطبيق بسيط وتجهيز دقيق في الموقع قبل الاستخدام. تم تركيب T300 بجانب لوحة CUVC في صندوق Masterdrive 6SE70 الإلكتروني، وتم إدخال ذاكرة EPROM في T300، بحيث تم تخزين البرنامج في ذاكرة EPROM.

مع نظام القيادة SINAMICS الأحدث، طورت سيمنز حزمة برامج التحكم بالرافعات SIMOCRANE على منصة SIMOTION. تضمنت هذه الحزمة برامج تقنية للرافعات، مثل التحكم في سرعة الرفع مع انخفاض المجال المغناطيسي. ومع توقف إنتاج منصة SIMOTION، نُقلت حزمة SIMOCRANE إلى منصة CU320، ولا تزال تدعم التحكم في سرعة الرفع مع انخفاض المجال المغناطيسي.

تتطلب مشاريع التحديث عناية خاصة. لا يمكن استخدام الرافعة T300 في نظام SINAMICS، لذا يجب نقل وظائفها إلى وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) أو CU320 أو منصة أخرى. وإلا، فقد يتم تعديل رافعة مزودة بوظيفة إضعاف المجال لتصبح رافعة بسرعتين فقط: سرعة عالية وسرعة منخفضة.

بعد فهم مبدأ عمل الوظيفة وطريقة تنفيذها، يستطيع فريق المشروع تحديد ما إذا كان سيطور الوظيفة بشكل مستقل أم سيشتري حزمة برمجية جاهزة. بالنسبة للتطبيقات الهندسية، من المهم ليس فقط معرفة وظيفة الوظيفة، بل أيضاً فهم سبب عملها.

سيندي

واتساب: +86 191 3738 6654

بريد إلكتروني: cindywang@hndfcrane.com

أنا سيندي، ولدي 10 سنوات من الخبرة العملية في صناعة الرافعات واكتسبت ثروة من المعرفة المهنية. لقد اخترت الرافعات المرضية لأكثر من 500 عميل. إذا كانت لديك أي احتياجات أو أسئلة حول الرافعات، فلا تتردد في الاتصال بي، وسأستخدم خبرتي وخبرتي العملية لمساعدتك في حل المشكلة!