Controllo della velocità di indebolimento del campo nei sistemi di azionamento delle gru: principi e implementazione

Il controllo della velocità tramite indebolimento del campo di azionamento delle gru viene spesso utilizzato nei meccanismi di sollevamento per migliorare l'efficienza operativa. L'idea di base è semplice: il motore funziona alla massima velocità in condizioni di assenza di carico, alla velocità nominale in condizioni di carico elevato e utilizza una curva di indebolimento del campo calcolata per determinare la velocità appropriata per carichi intermedi tra carico elevato e assenza di carico.

Per i sistemi di azionamento dei paranchi di gru a ponte e gru a cavalletto, questo contribuisce ad aumentare la velocità di sollevamento in condizioni di carico nullo o leggero, a ridurre i tempi di sollevamento, ad accorciare il ciclo di lavoro e a migliorare la produttività delle attrezzature.

Alcune applicazioni speciali devono seguire dati di progettazione specifici. Ad esempio, su una gru a portale per cantieri navali, se le velocità a vuoto, a mezzo carico e a pieno carico sono rispettivamente di 3, 6 e 9 m/min, e il rapporto di indebolimento del campo del motore non può raggiungere il triplo della velocità nominale, la velocità operativa a pieno carico può essere inferiore alla velocità nominale.

La seguente analisi utilizza come esempi le gru portuali per container e gli scaricatori di navi, poiché entrambi richiedono un'elevata efficienza. Il carico di un meccanismo di sollevamento non raggiunge il carico nominale ad ogni ciclo. Per una gru portuale per container, il peso del container è generalmente compreso tra 3 e 40 tonnellate, a seconda della merce contenuta al suo interno. Quando il carico è pesante, la velocità di sollevamento è inferiore. Quando il carico è leggero, la velocità di sollevamento può essere aumentata, riducendo il tempo di ciclo dal punto di vista dell'attrezzatura.

Le condizioni operative di uno scaricatore di navi sono relativamente più semplici. Durante la fase di carico completo, lo scarico della benna avviene solitamente a pieno carico. Quando la benna si apre, il meccanismo è sottoposto a un carico leggero, quindi il sistema necessita principalmente di intervalli di velocità alta e bassa. Durante la fase di pulizia, il peso del materiale prelevato varia notevolmente. In queste condizioni, il funzionamento ad alta velocità e carico leggero può ridurre significativamente il ciclo di lavoro.

Principio di controllo della velocità di indebolimento del campo

Come illustrato nella Figura 1-1, la linea continua rappresenta la relazione tra velocità e potenza, mentre la linea tratteggiata rappresenta la relazione tra velocità e coppia in uscita.

Quando il motore accelera da velocità zero alla velocità nominale n_N, la potenza erogata è proporzionale alla velocità, mentre la coppia erogata rimane al valore nominale. Questo intervallo è chiamato intervallo caratteristico a coppia costante.

Quando il motore funziona dalla velocità nominale n_N alla velocità massima n_max, la potenza erogata rimane costante al valore nominale, mentre la coppia erogata è inversamente proporzionale alla velocità. Questo intervallo è chiamato intervallo caratteristico a potenza costante.

Le curve S1, S3-60%, S3-40% e S3-25% nella Figura 1-1 sono correlate alle prestazioni del motore e sono mostrate solo a titolo di esempio.

Quando il carico raggiunge il valore nominale, il motore funziona a una velocità inferiore a quella nominale e rimane nel regime di coppia costante. La coppia in uscita può quindi rimanere costante, mentre la potenza in uscita dipende dalla velocità del motore.

Quando il carico è inferiore al carico nominale, il motore può entrare nella zona di indebolimento del campo e funzionare a una velocità superiore a quella nominale. In questa zona a potenza costante, la potenza in uscita rimane costante e la coppia in uscita diminuisce all'aumentare della velocità del motore.

In fase di progettazione, è necessario considerare attentamente la curva caratteristica del limite di tensione e il limite di velocità meccanica. Durante il funzionamento effettivo, è opportuno mantenere un margine ragionevole rispetto a questi limiti.

Rilevamento della curva di indebolimento del campo e del peso del carico

La curva di indebolimento del campo può essere calcolata a partire dalle prestazioni meccaniche ed è solitamente fornita dal produttore. Una volta disponibile la curva di indebolimento del campo, è possibile configurarla nel programma di controllo con un certo margine, ad esempio 5%.

Il presupposto del controllo della velocità in funzione del carico è la rilevazione accurata del peso del carico. In pratica, la rilevazione del carico rappresenta spesso uno dei punti critici.

Metodo 1: Rilevamento del carico tramite sensore di pesatura

Durante l'accelerazione di sollevamento, il programma PLC calcola il peso del carico a partire dall'uscita analogica del sensore di pesatura. Successivamente, calcola la velocità di riferimento del motore in base al peso del carico e alla curva di indebolimento del campo magnetico e invia tale valore all'inverter, in modo che il motore funzioni alla velocità calcolata.

Tuttavia, i dati del sensore di pesatura possono variare ed è difficile garantire la precisione della misurazione. Ciò crea un rischio elevato. Se la velocità di indebolimento del campo calcolata non è accurata, la velocità potrebbe essere eccessiva, mentre la coppia in uscita del motore di sollevamento potrebbe essere insufficiente. Questo può portare a un incidente con perdita di controllo, come ad esempio un eccesso di velocità.

Metodo 2: Stima del carico tramite la corrente del motore

Per ovviare al problema di precisione dei sensori di pesatura, è possibile implementare un metodo comune di stima del carico nel programma PLC. La corrente del motore del paranco può essere utilizzata per calcolare il peso del carico. In condizioni di funzionamento stazionario del motore, la coppia in uscita è proporzionale al peso del carico e la corrente del motore è approssimativamente proporzionale alla coppia in uscita. Pertanto, la corrente del motore può essere utilizzata per stimare il peso del carico.

Come illustrato nella Figura 1-2, durante l'accelerazione, la coppia erogata dal motore è composta da quattro componenti, e M_LOAD è proporzionale al carico.

Il coefficiente di proporzionalità K tra la corrente del motore A e il carico T deve essere determinato mediante misurazione effettiva durante la messa in servizio:

T = K x A

Il metodo di misurazione è il seguente:

• Sollevare un carico noto T_LOAD fino a quando non è sospeso da terra, quindi accelerarlo da fermo fino alla velocità base, o velocità nominale.
• Acquisire la corrente del motore A. Il campionamento della corrente deve essere eseguito durante la fase di accelerazione perché la velocità di indebolimento del campo deve essere calcolata in base al peso del carico durante l'accelerazione. Per migliorare la precisione dei dati, si consiglia di campionare a metà dell'accelerazione. Ad esempio, se il tempo di accelerazione da zero alla velocità base è di 3 secondi, il campionamento può iniziare dopo 1,5 secondi di funzionamento. Campionare una volta ogni 100 ms, raccogliere un totale di 5 campioni e utilizzare la media dei 5 campioni come corrente del motore A_M.
• Calcola K: K = T_LOAD / A_M
• Durante il funzionamento effettivo, leggere il valore corrente A utilizzando lo stesso metodo. Quindi calcolare il peso del carico tramite la formula T = K x A e combinare il risultato con la curva di indebolimento del campo per calcolare la velocità di indebolimento del campo del motore.

Punti importanti:

• Per motivi di sicurezza, se il campionamento della corrente fallisce o il risultato del campionamento è incerto, il motore deve essere lasciato funzionare solo alla velocità nominale.
• La velocità di indebolimento del campo calcolata durante il sollevamento può essere utilizzata anche come riferimento per l'abbassamento.
• Al termine di ogni ciclo di lavoro, la velocità di indebolimento del campo deve essere riportata alla velocità nominale. Il riferimento di velocità deve essere aggiornato solo dopo aver ricalcolato una velocità di indebolimento del campo valida.

Note di implementazione e ammodernamento di Siemens

I primi sistemi Siemens utilizzavano schede tecnologiche come la T300, che integravano la funzione di controllo della velocità di indebolimento del campo. Gli utenti dovevano solo sviluppare un'applicazione semplice ed effettuare un'attenta messa in servizio in loco prima dell'uso. La T300 veniva installata accanto alla scheda CUVC nella scatola elettronica Masterdrive 6SE70, e su di essa veniva inserita una EPROM, in modo che il programma fosse memorizzato nella EPROM stessa.

Con il più recente sistema di azionamento SINAMICS, Siemens ha sviluppato il pacchetto software di controllo gru SIMOCRANE sulla piattaforma SIMOTION. Questo includeva programmi per la tecnologia delle gru, come il controllo della velocità di indebolimento del campo. Con la progressiva dismissione di SIMOTION, SIMOCRANE è stato trasferito sulla piattaforma hardware CU320 e continua a supportare il controllo della velocità di indebolimento del campo.

I progetti di ammodernamento richiedono particolare attenzione. Il T300 non può essere utilizzato in un sistema SINAMICS, quindi le sue funzioni devono essere migrate a un PLC, CU320 o un'altra piattaforma. In alternativa, una gru con funzione di indebolimento del campo potrebbe essere modificata in una gru con sole due velocità: alta e bassa.

Una volta compresi il principio di funzionamento e il metodo di implementazione, il team di progetto può decidere se sviluppare la funzione in modo indipendente o acquistare un pacchetto software già esistente. Per le applicazioni ingegneristiche, è importante non solo sapere cosa fa la funzione, ma anche comprenderne il funzionamento.

Cindy

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Sono Cindy, con 10 anni di esperienza lavorativa nel settore delle gru e un bagaglio di conoscenze professionali accumulato. Ho scelto le gru soddisfacenti per oltre 500 clienti. Se hai esigenze o domande sulle gru, non esitare a contattarmi, userò la mia competenza ed esperienza pratica per aiutarti a risolvere il problema!