کنترل سرعت تضعیف میدان در سیستم محرک جرثقیل: اصول و پیاده‌سازی

کنترل سرعت تضعیف میدان محرک جرثقیل اغلب در مکانیزم‌های بالابر برای بهبود راندمان عملیاتی استفاده می‌شود. ایده اصلی ساده است: موتور در شرایط بدون بار با بالاترین سرعت کار می‌کند، در شرایط بار سنگین با سرعت نامی کار می‌کند و از یک منحنی تضعیف میدان محاسبه شده برای تعیین سرعت مناسب برای بارهای بین بار سنگین و بدون بار استفاده می‌کند.

برای درایوهای بالابر جرثقیل سقفی و جرثقیل دروازه‌ای، این امر به افزایش سرعت بالابری در شرایط بدون بار یا بار سبک، کاهش زمان بالابری، کوتاه کردن چرخه کاری و بهبود بهره‌وری تجهیزات کمک می‌کند.

برخی از کاربردهای خاص باید از داده‌های طراحی خاص خود پیروی کنند. به عنوان مثال، در یک جرثقیل دروازه‌ای کشتی‌سازی، اگر سرعت‌های بدون بار، نیمه بار و بار کامل به ترتیب ۳، ۶ و ۹ متر بر دقیقه باشند و نسبت تضعیف میدان موتور نتواند به سه برابر سرعت نامی برسد، سرعت عملیاتی بار کامل ممکن است کمتر از سرعت نامی باشد.

بحث زیر از جرثقیل‌های اسکله کانتینری و تخلیه‌کننده‌های کشتی به عنوان مثال استفاده می‌کند زیرا هر دو الزامات راندمان بالایی دارند. بار یک مکانیزم بالابر در هر چرخه به بار نامی نمی‌رسد. برای یک جرثقیل اسکله کانتینری، وزن کانتینر معمولاً بین ۳ تا ۴۰ تن است که به کالای داخل کانتینر بستگی دارد. وقتی بار سنگین است، سرعت بالابری کمتر است. وقتی بار سبک است، سرعت بالابری می‌تواند افزایش یابد و زمان چرخه را از طرف تجهیزات کاهش دهد.

شرایط عملیاتی تخلیه‌کننده کشتی نسبتاً ساده‌تر است. در طول مرحله تخلیه کامل، تخلیه چنگک معمولاً نزدیک به بار کامل است. وقتی چنگک باز می‌شود، مکانیزم تحت بار سبک است، بنابراین سیستم عمدتاً به محدوده‌های سرعت بالا و پایین نیاز دارد. در طول مرحله تمیز کردن، وزن مواد برداشت شده در هر بار بسیار متفاوت است. در این شرایط، عملیات پرسرعت با بار سبک می‌تواند چرخه کار را به طور قابل توجهی کوتاه کند.

اصل کنترل سرعت تضعیف میدان

همانطور که در شکل 1-1 نشان داده شده است، خط ممتد رابطه بین سرعت و توان را نشان می‌دهد، در حالی که خط چین رابطه بین سرعت و گشتاور خروجی را نشان می‌دهد.

وقتی موتور از سرعت صفر به سرعت نامی n_N شتاب می‌گیرد، توان خروجی موتور متناسب با سرعت است، در حالی که گشتاور خروجی در گشتاور نامی باقی می‌ماند. این محدوده، محدوده مشخصه گشتاور ثابت نامیده می‌شود.

وقتی موتور از سرعت نامی n_N تا حداکثر سرعت n_max کار می‌کند، توان خروجی موتور در توان نامی ثابت می‌ماند، در حالی که گشتاور خروجی با سرعت نسبت معکوس دارد. این محدوده، محدوده مشخصه توان ثابت نامیده می‌شود.

منحنی‌های S1، S3-60%، S3-40% و S3-25% در شکل ۱-۱ مربوط به عملکرد موتور هستند و فقط به عنوان مثال نشان داده شده‌اند.

وقتی بار به بار نامی می‌رسد، موتور با سرعتی کمتر از سرعت نامی کار می‌کند و در محدوده گشتاور ثابت باقی می‌ماند. گشتاور خروجی می‌تواند ثابت بماند، در حالی که توان خروجی به سرعت موتور بستگی دارد.

وقتی بار کمتر از بار نامی باشد، موتور می‌تواند وارد محدوده تضعیف میدان شود و بالاتر از سرعت نامی کار کند. در این محدوده توان ثابت، توان خروجی ثابت می‌ماند و گشتاور خروجی با افزایش سرعت موتور کاهش می‌یابد.

در کار طراحی، منحنی مشخصه حد ولتاژ و حد سرعت مکانیکی باید با دقت در نظر گرفته شوند. عملکرد واقعی باید حاشیه معقولی از این حدود را حفظ کند.

منحنی تضعیف میدان و تشخیص وزن بار

منحنی تضعیف میدان را می‌توان از عملکرد مکانیکی محاسبه کرد و معمولاً توسط سازنده اصلی (OEM) ارائه می‌شود. پس از اینکه منحنی تضعیف میدان در دسترس قرار گرفت، می‌توان آن را در برنامه کنترل با حاشیه مشخصی مانند 5% پیکربندی کرد.

فرض اساسی کنترل سرعت وابسته به بار، تشخیص دقیق وزن بار است. در عمل، تشخیص بار اغلب یکی از نقاط دشوار است.

روش ۱: تشخیص بار توسط حسگر توزین

در طول شتاب‌گیری بالابر، برنامه PLC وزن بار را از خروجی آنالوگ سنسور توزین محاسبه می‌کند. سپس مرجع سرعت موتور را از وزن بار و منحنی تضعیف میدان محاسبه کرده و مرجع را به اینورتر ارسال می‌کند، بنابراین موتور با سرعت محاسبه شده کار می‌کند.

با این حال، داده‌های حسگر توزین می‌توانند دچار تغییر شوند و تضمین دقت اندازه‌گیری دشوار است. این امر ریسک بالایی ایجاد می‌کند. اگر سرعت تضعیف میدان محاسبه‌شده دقیق نباشد، سرعت ممکن است خیلی زیاد باشد، در حالی که گشتاور خروجی موتور بالابر ممکن است ناکافی باشد. این می‌تواند منجر به حادثه از دست دادن کنترل، مانند سرعت بیش از حد، شود.

روش ۲: تخمین بار با استفاده از جریان موتور

برای رفع مشکل دقت حسگرهای توزین، می‌توان یک روش تخمین بار رایج را در برنامه PLC پیاده‌سازی کرد. جریان موتور بالابر می‌تواند برای محاسبه وزن بار استفاده شود. در عملکرد پایدار موتور، گشتاور خروجی موتور متناسب با وزن بار است و جریان موتور تقریباً متناسب با گشتاور خروجی است. بنابراین، جریان موتور می‌تواند برای تخمین وزن بار استفاده شود.

همانطور که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است، در طول شتاب، گشتاور خروجی موتور شامل چهار بخش است و M_LOAD متناسب با بار است.

ضریب تناسب K بین جریان موتور A و بار T باید با اندازه‌گیری واقعی در حین راه‌اندازی تعیین شود:

تی = ک × آ

روش اندازه‌گیری به شرح زیر است:

• یک بار مشخص را بلند کنید (T_LOAD) تا زمانی که از سطح زمین معلق شود، سپس آن را از حالت سکون تا سرعت پایه یا سرعت نامی شتاب دهید.
• جریان موتور A را بدست آورید. نمونه‌برداری جریان باید در طول مرحله شتاب‌گیری انجام شود زیرا سرعت تضعیف میدان باید از وزن بار در طول شتاب‌گیری محاسبه شود. برای بهبود دقت داده‌ها، نمونه‌برداری در اواسط شتاب‌گیری توصیه می‌شود. به عنوان مثال، اگر زمان شتاب‌گیری از صفر تا سرعت پایه 3 ثانیه باشد، نمونه‌برداری می‌تواند پس از 1.5 ثانیه از کار شروع شود. هر 100 میلی‌ثانیه یک بار نمونه‌برداری کنید، در مجموع 5 نمونه جمع‌آوری کنید و میانگین 5 نمونه را به عنوان جریان موتور A_M استفاده کنید.
• محاسبه K: K = T_LOAD / A_M
• در حین کارکرد واقعی، مقدار جریان A را با استفاده از همان روش بخوانید. سپس وزن بار را با استفاده از T = K x A محاسبه کنید و نتیجه را با منحنی تضعیف میدان ترکیب کنید تا سرعت تضعیف میدان موتور محاسبه شود.

نکات مهم:

• برای ایمنی، اگر نمونه‌برداری جریان با شکست مواجه شود یا نتیجه نمونه‌برداری نامشخص باشد، باید به موتور اجازه داده شود که فقط با سرعت نامی کار کند.
• سرعت تضعیف میدان که در طول بالا بردن محاسبه می‌شود، می‌تواند به عنوان مرجعی برای پایین آوردن نیز مورد استفاده قرار گیرد.
• پس از پایان هر چرخه کاری، سرعت تضعیف میدان باید به سرعت نامی تنظیم مجدد شود. مرجع سرعت باید تنها پس از محاسبه مجدد سرعت تضعیف میدان معتبر، به‌روزرسانی شود.

یادداشت‌های پیاده‌سازی و مقاوم‌سازی زیمنس

سیستم‌های اولیه زیمنس از بردهای فناوری مانند T300 استفاده می‌کردند که عملکرد کنترل سرعت تضعیف میدان را در خود جای داده بودند. کاربران فقط به توسعه ساده برنامه و راه‌اندازی دقیق در محل قبل از استفاده نیاز داشتند. T300 در کنار برد CUVC در جعبه الکترونیکی Masterdrive 6SE70 نصب شد و یک EPROM روی T300 قرار داده شد، بنابراین برنامه در EPROM ذخیره می‌شد.

با سیستم درایو جدیدتر SINAMICS، زیمنس بسته نرم‌افزاری کنترل جرثقیل SIMOCRANE را بر روی پلتفرم SIMOTION توسعه داد. این بسته شامل برنامه‌های فناوری جرثقیل مانند کنترل سرعت تضعیف میدان بود. با کنار گذاشته شدن SIMOTION، SIMOCRANE به پلتفرم سخت‌افزاری CU320 منتقل شد و هنوز از کنترل سرعت تضعیف میدان پشتیبانی می‌کند.

پروژه‌های مقاوم‌سازی نیاز به توجه ویژه دارند. T300 را نمی‌توان در سیستم SINAMICS استفاده کرد، بنابراین عملکردهای آن باید به یک PLC، CU320 یا پلتفرم دیگری منتقل شود. در غیر این صورت، یک جرثقیل با عملکرد تضعیف میدان می‌تواند به جرثقیلی با تنها دو سرعت تبدیل شود: سرعت بالا و سرعت پایین.

پس از درک اصل عملکرد و روش پیاده‌سازی، تیم پروژه می‌تواند تصمیم بگیرد که آیا عملکرد را به‌طور مستقل توسعه دهد یا یک بسته نرم‌افزاری کامل خریداری کند. برای کاربردهای مهندسی، نه تنها دانستن اینکه عملکرد چه کاری انجام می‌دهد، بلکه درک دلیل عملکرد آن نیز مهم است.

سیندی

واتس اپ: +86 191 3738 6654

پست الکترونیک: cindywang@hndfcrane.com

من سیندی هستم، با 10 سال سابقه کار در صنعت جرثقیل و انباشته دانش حرفه ای. من جرثقیل های رضایت بخش را برای بیش از 500 مشتری انتخاب کرده ام. اگر در مورد جرثقیل ها نیاز یا سوالی دارید، لطفا با من تماس بگیرید، من از تخصص و تجربه عملی خود برای کمک به شما در حل مشکل استفاده خواهم کرد!