Control de velocidad por debilitamiento de campo en sistemas de accionamiento de grúas: principios e implementación

El control de velocidad por debilitamiento de campo en el accionamiento de grúas se utiliza frecuentemente en mecanismos de elevación para mejorar la eficiencia operativa. La idea básica es simple: el motor funciona a la velocidad máxima en vacío, a la velocidad nominal con carga pesada y utiliza una curva de debilitamiento de campo calculada para determinar la velocidad adecuada para cargas intermedias entre carga pesada y vacío.

En el caso de los sistemas de accionamiento de grúas puente y grúas pórtico, esto ayuda a aumentar la velocidad de elevación en condiciones de carga nula o ligera, reducir el tiempo de izamiento, acortar el ciclo de trabajo y mejorar la productividad del equipo.

Algunas aplicaciones especiales deben ajustarse a sus propios datos de diseño. Por ejemplo, en una grúa pórtico para la construcción naval, si las velocidades en vacío, a media carga y a plena carga son de 3, 6 y 9 m/min respectivamente, y la relación de debilitamiento del campo del motor no puede alcanzar el triple de la velocidad nominal, la velocidad de funcionamiento a plena carga puede ser inferior a la velocidad nominal.

La siguiente explicación utiliza como ejemplos las grúas portuarias para contenedores y los descargadores de buques, dado que ambos requieren alta eficiencia. La carga de un mecanismo de elevación no alcanza su capacidad nominal en cada ciclo. En el caso de una grúa portuaria para contenedores, el peso del contenedor suele oscilar entre 3 y 40 toneladas, dependiendo de la mercancía que contenga. Cuando la carga es pesada, la velocidad de elevación disminuye. Cuando la carga es ligera, la velocidad de elevación puede aumentarse, reduciendo así el tiempo de ciclo del equipo.

El funcionamiento de un descargador de buques es relativamente sencillo. Durante la fase de carga completa, la descarga con la cuchara suele realizarse casi a plena carga. Al abrirse la cuchara, el mecanismo está sometido a una carga ligera, por lo que el sistema requiere principalmente rangos de alta y baja velocidad. Durante la fase de limpieza, el peso del material recogido varía considerablemente en cada ocasión. En estas condiciones, el funcionamiento a alta velocidad con carga ligera puede acortar significativamente el ciclo de trabajo.

Principio del control de velocidad por debilitamiento de campo

Como se muestra en la figura 1-1, la línea continua representa la relación entre velocidad y potencia, mientras que la línea discontinua representa la relación entre velocidad y par de salida.

Cuando el motor acelera desde velocidad cero hasta la velocidad nominal n_N, la potencia de salida del motor es proporcional a la velocidad, mientras que el par de salida se mantiene en su valor nominal. Este rango se denomina rango característico de par constante.

Cuando el motor funciona desde la velocidad nominal n_N hasta la velocidad máxima n_max, la potencia de salida del motor permanece constante en la potencia nominal, mientras que el par de salida es inversamente proporcional a la velocidad. Este rango se denomina rango característico de potencia constante.

Las curvas S1, S3-60%, S3-40% y S3-25% de la Fig. 1-1 están relacionadas con el rendimiento del motor y se muestran solo como ejemplos.

Cuando la carga alcanza su valor nominal, el motor funciona por debajo de la velocidad nominal y permanece en el rango de par constante. El par de salida puede mantenerse constante, mientras que la potencia de salida depende de la velocidad del motor.

Cuando la carga es inferior a la nominal, el motor puede entrar en el rango de debilitamiento de campo y funcionar por encima de la velocidad nominal. En este rango de potencia constante, la potencia de salida permanece constante y el par de salida disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor.

En la fase de diseño, se deben considerar cuidadosamente la curva característica de límite de tensión y el límite de velocidad mecánica. El funcionamiento real debe mantener un margen razonable respecto a estos límites.

Detección de la curva de debilitamiento del campo y del peso de la carga

La curva de debilitamiento del campo se puede calcular a partir del rendimiento mecánico y, por lo general, la proporciona el fabricante de equipos originales (OEM). Una vez que se dispone de la curva de debilitamiento del campo, se puede configurar en el programa de control con un cierto margen, como por ejemplo 5%.

La premisa del control de velocidad dependiente de la carga es la detección precisa del peso de la carga. En la práctica, la detección de la carga suele ser uno de los puntos más difíciles.

Método 1: Detección de carga mediante sensor de pesaje

Durante la aceleración de elevación, el programa PLC calcula el peso de la carga a partir de la salida analógica del sensor de pesaje. A continuación, calcula la velocidad de referencia del motor a partir del peso de la carga y la curva de debilitamiento del campo, y envía dicha referencia al inversor para que el motor funcione a la velocidad calculada.

Sin embargo, los datos del sensor de pesaje pueden variar y la precisión de la medición es difícil de garantizar. Esto genera un alto riesgo. Si la velocidad de debilitamiento del campo calculada es inexacta, la velocidad real puede ser excesiva, mientras que el par de salida del motor del polipasto puede ser insuficiente. Esto puede provocar una pérdida de control, como un exceso de velocidad.

Método 2: Estimación de carga mediante la corriente del motor.

Para solucionar el problema de precisión de los sensores de pesaje, se puede implementar un método común de estimación de carga en el programa del PLC. La corriente del motor del polipasto se puede utilizar para calcular el peso de la carga. En funcionamiento estable del motor, el par de salida es proporcional al peso de la carga, y la corriente del motor es aproximadamente proporcional al par de salida. Por lo tanto, la corriente del motor se puede utilizar para estimar el peso de la carga.

Como se muestra en la Fig. 1-2, durante la aceleración, el par de salida del motor incluye cuatro partes, y M_LOAD es proporcional a la carga.

El coeficiente de proporcionalidad K entre la corriente del motor A y la carga T debe determinarse mediante mediciones reales durante la puesta en marcha:

T = K x A

El método de medición es el siguiente:

• Levanta una carga conocida T_LOAD hasta que quede suspendida sobre el suelo, luego acelérala desde el reposo hasta la velocidad base o la velocidad nominal.
• Obtenga la corriente del motor A. El muestreo de corriente debe realizarse durante la fase de aceleración, ya que la velocidad de debilitamiento del campo debe calcularse a partir del peso de la carga durante la aceleración. Para mejorar la precisión de los datos, se recomienda muestrear a mitad de la aceleración. Por ejemplo, si el tiempo de aceleración desde cero hasta la velocidad base es de 3 segundos, el muestreo puede comenzar después de 1,5 segundos de funcionamiento. Muestre una vez cada 100 ms, recopile 5 muestras en total y utilice el promedio de las 5 muestras como corriente del motor A_M.
• Calcular K: K = T_LOAD / A_M
• Durante el funcionamiento, lea el valor actual A utilizando el mismo método. A continuación, calcule el peso de la carga mediante T = K x A y combine el resultado con la curva de debilitamiento del campo para calcular la velocidad de debilitamiento del campo del motor.

Puntos importantes:

• Por motivos de seguridad, si la toma de muestras actual falla o el resultado de la toma de muestras es incierto, el motor solo debe funcionar a la velocidad nominal.
• La velocidad de debilitamiento del campo calculada durante el izado también puede utilizarse como referencia para el descenso.
• Tras finalizar cada ciclo de trabajo, la velocidad de debilitamiento del campo debe restablecerse a la velocidad nominal. La referencia de velocidad solo debe actualizarse después de que se haya recalculado una velocidad de debilitamiento del campo válida.

Notas de implementación y modernización de Siemens

Los primeros sistemas Siemens utilizaban tarjetas tecnológicas como la T300, que integraban la función de control de velocidad por debilitamiento de campo. Los usuarios solo necesitaban un desarrollo de aplicación sencillo y una puesta en marcha cuidadosa in situ antes de su uso. La T300 se instalaba junto a la tarjeta CUVC en la caja electrónica Masterdrive 6SE70, y se insertaba una EPROM en la T300, de modo que el programa se almacenaba en ella.

Con el nuevo sistema de accionamiento SINAMICS, Siemens desarrolló el paquete de software de control de grúas SIMOCRANE sobre la plataforma SIMOTION. Este incluía programas de tecnología de grúas, como el control de velocidad por debilitamiento de campo. Tras la retirada de SIMOTION, SIMOCRANE se migró a la plataforma de hardware CU320 y sigue siendo compatible con el control de velocidad por debilitamiento de campo.

Los proyectos de modernización requieren especial atención. El T300 no se puede utilizar en un sistema SINAMICS, por lo que sus funciones deben migrarse a un PLC, CU320 u otra plataforma. De lo contrario, una grúa con función de debilitamiento de campo podría modificarse para convertirse en una grúa con solo dos velocidades: alta y baja.

Una vez comprendidos el principio de funcionamiento y el método de implementación, el equipo del proyecto puede decidir si desarrollar la función de forma independiente o adquirir un paquete de software ya consolidado. Para las aplicaciones de ingeniería, es importante no solo saber qué hace la función, sino también comprender por qué funciona.

Cindy

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Soy Cindy, tengo 10 años de experiencia laboral en la industria de las grúas y he acumulado una gran cantidad de conocimientos profesionales. He elegido grúas satisfactorias para más de 500 clientes. Si tiene alguna necesidad o pregunta sobre grúas, no dude en ponerse en contacto conmigo. ¡Usaré mi experiencia y mi experiencia práctica para ayudarlo a resolver el problema!