크레인 구동 시스템의 자기력 약화 속도 제어: 원리 및 구현

크레인 구동 계자 약화 속도 제어는 권상 장치의 작동 효율을 향상시키기 위해 자주 사용됩니다. 기본 원리는 간단합니다. 모터는 무부하 상태에서는 최고 속도로 회전하고, 중부하 상태에서는 정격 속도로 회전하며, 중부하와 무부하 사이의 부하에서는 계산된 계자 약화 곡선을 사용하여 적절한 속도를 결정합니다.

오버헤드 크레인 및 갠트리 크레인 호이스트 구동 장치의 경우, 이는 무부하 또는 경부하 조건에서 리프팅 속도를 높이고, 리프팅 시간을 단축하며, 작업 주기를 줄이고, 장비 생산성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

일부 특수 용도의 경우 자체 설계 데이터를 따라야 합니다. 예를 들어, 조선용 갠트리 크레인의 경우 무부하, 반부하 및 최대 부하 속도가 각각 3, 6, 9m/min이고 모터 계자 약화비가 정격 속도의 3배에 도달할 수 없다면 최대 부하 운전 속도는 정격 속도보다 낮을 수 있습니다.

다음 설명에서는 높은 효율성이 요구되는 컨테이너 안벽 크레인과 선박 하역기를 예로 들어 설명합니다. 호이스트 메커니즘의 하중은 매 사이클마다 정격 하중에 도달하지 않습니다. 컨테이너 안벽 크레인의 경우, 컨테이너 무게는 컨테이너 내부 화물에 따라 보통 3톤에서 40톤 사이입니다. 하중이 무거울 때는 인양 속도가 느려지고, 하중이 가벼울 때는 인양 속도를 높여 장비의 사이클 시간을 단축할 수 있습니다.

선박 하역기의 작동 조건은 비교적 간단합니다. 화물창이 가득 찬 단계에서는 그랩 하역 작업이 거의 만재 상태로 진행됩니다. 그랩이 펼쳐질 때 메커니즘에는 가벼운 부하가 걸리므로 시스템은 주로 고속 및 저속 범위만 필요로 합니다. 정리 단계에서는 한 번에 집게로 집는 자재의 무게가 크게 변동합니다. 이러한 상황에서는 가벼운 부하 상태에서 고속으로 운전하면 작업 주기를 크게 단축할 수 있습니다.

자기장 약화 속도 제어 원리

그림 1-1에서 볼 수 있듯이 실선은 속도와 출력의 관계를 나타내고, 점선은 속도와 출력 토크의 관계를 나타낸다.

모터가 정지 상태에서 정격 속도 n_N까지 가속할 때, 모터 출력은 속도에 비례하는 반면 출력 토크는 정격 토크로 유지됩니다. 이 범위를 정토크 특성 범위라고 합니다.

모터가 정격 속도 n_N에서 최대 속도 n_max까지 회전할 때, 모터 출력은 정격 출력으로 일정하게 유지되는 반면, 출력 토크는 속도에 반비례합니다. 이 범위를 정출력 특성 범위라고 합니다.

그림 1-1의 S1, S3-60%, S3-40% 및 S3-25% 곡선은 운동 성능과 관련이 있으며 예시로만 제시되었습니다.

부하가 정격 부하에 도달하면 모터는 정격 속도 이하로 회전하며 일정한 토크 범위를 유지합니다. 출력 토크는 일정하게 유지될 수 있지만, 출력 전력은 모터 속도에 따라 달라집니다.

부하가 정격 부하보다 낮을 경우, 모터는 계자 약화 영역에 진입하여 정격 속도 이상으로 운전할 수 있습니다. 이 정출력 영역에서는 출력은 일정하게 유지되고, 모터 속도가 증가함에 따라 출력 토크는 감소합니다.

설계 작업 시 전압 제한 특성 곡선과 기계적 속도 제한을 신중하게 고려해야 합니다. 실제 운전 시에는 이러한 제한값으로부터 적절한 여유를 두어야 합니다.

전자기장 약화 곡선 및 하중 중량 감지

자계 약화 곡선은 기계적 성능으로부터 계산할 수 있으며, 일반적으로 OEM에서 제공합니다. 자계 약화 곡선을 확보한 후에는 5%와 같이 특정 여유를 두고 제어 프로그램에 설정할 수 있습니다.

부하에 따른 속도 제어의 전제는 정확한 부하 중량 감지입니다. 하지만 실제로 부하 감지는 어려운 부분 중 하나입니다.

방법 1: 무게 센서를 이용한 하중 감지

인양 가속 중 PLC 프로그램은 계량 센서의 아날로그 출력으로부터 하중 무게를 계산합니다. 그런 다음 하중 무게와 계자 약화 곡선을 이용하여 모터 속도 기준값을 계산하고 이 기준값을 인버터로 전송하여 모터가 계산된 속도로 회전하도록 합니다.

그러나 계량 센서 데이터는 오차가 발생할 수 있고 측정 정확도를 보장하기 어렵습니다. 이는 높은 위험을 초래합니다. 계산된 자계 약화 속도가 부정확하면 속도가 너무 높아져 호이스트 모터의 출력 토크가 부족해질 수 있습니다. 이로 인해 과속과 같은 제어 불능 사고가 발생할 수 있습니다.

방법 2: 모터 전류를 이용한 부하 추정

계량 센서의 정확도 문제를 해결하기 위해 PLC 프로그램에서 일반적인 하중 추정 방법을 구현할 수 있습니다. 호이스트 모터 전류를 이용하여 하중을 계산할 수 있습니다. 모터가 정상 작동 상태일 때 모터 출력 토크는 하중에 비례하고, 모터 전류는 출력 토크에 대략적으로 비례합니다. 따라서 모터 전류를 이용하여 하중을 추정할 수 있습니다.

그림 1-2에서 보는 바와 같이, 가속 과정에서 모터 출력 토크는 네 부분으로 구성되며, M_LOAD는 부하에 비례합니다.

모터 전류 A와 부하 T 사이의 비례 계수 K는 시운전 중 실제 측정을 통해 결정해야 합니다.

T = K x A

측정 방법은 다음과 같습니다.

• 알려진 하중 T_LOAD를 지면 위로 들어 올려 매달리게 한 다음, 정지 상태에서 기준 속도 또는 정격 속도까지 가속합니다.
• 모터 전류 A를 측정합니다. 가속 단계에서 부하 중량을 이용하여 자계 약화 속도를 계산해야 하므로 전류 샘플링은 가속 단계에서 수행해야 합니다. 데이터 정확도를 높이기 위해 가속 중간 시점에 샘플링하는 것이 좋습니다. 예를 들어, 정지 상태에서 기준 속도까지 가속하는 데 3초가 걸리는 경우, 작동 시작 후 1.5초부터 샘플링을 시작할 수 있습니다. 100ms 간격으로 5개의 샘플을 수집하고, 이 5개 샘플의 평균값을 모터 전류 A_M으로 사용합니다.
• K 계산: K = T_LOAD / A_M
• 실제 운전 중에는 동일한 방법으로 전류 값 A를 측정합니다. 그런 다음 T = K x A 공식을 이용하여 부하 용량을 계산하고, 그 결과를 계자 약화 곡선과 결합하여 모터의 계자 약화 속도를 계산합니다.

중요 사항:

• 안전을 위해 전류 샘플링이 실패하거나 샘플링 결과가 불확실한 경우 모터는 정격 속도로만 가동해야 합니다.
• 인양 중에 계산된 자계 약화 속도는 하강 시에도 참고 자료로 사용할 수 있습니다.
• 각 작업 주기가 종료된 후에는 자계 약화 속도를 정격 속도로 재설정해야 합니다. 속도 기준값은 유효한 자계 약화 속도를 재계산한 후에만 업데이트해야 합니다.

지멘스 구현 및 개조 관련 참고 사항

초기 지멘스 시스템은 자계 약화 속도 제어 기능을 통합한 T300과 같은 기술 보드를 사용했습니다. 사용자는 간단한 애플리케이션 개발과 현장 시운전만 하면 바로 사용할 수 있었습니다. T300은 Masterdrive 6SE70 전자 박스 내 CUVC 보드 옆에 설치되었고, T300에는 EPROM이 삽입되어 프로그램이 EPROM에 저장되었습니다.

지멘스는 최신 SINAMICS 구동 시스템과 함께 SIMOTION 플랫폼용 크레인 제어 소프트웨어 패키지인 SIMOCRANE을 개발했습니다. 이 패키지에는 필드 약화 속도 제어와 같은 크레인 기술 프로그램이 포함되어 있습니다. SIMOTION이 단종됨에 따라 SIMOCRANE은 CU320 하드웨어 플랫폼으로 이전되었으며, 현재까지도 필드 약화 속도 제어 기능을 지원합니다.

개조 프로젝트에는 특별한 주의가 필요합니다. T300은 SINAMICS 시스템에서 사용할 수 없으므로 해당 기능을 PLC, CU320 또는 다른 플랫폼으로 이전해야 합니다. 그렇지 않으면 현장 약화 기능이 있는 크레인이 고속 및 저속 두 가지 속도만 있는 크레인으로 변경될 수 있습니다.

기능 원리와 구현 방법을 이해한 후, 프로젝트 팀은 해당 기능을 자체 개발할지 아니면 완성도 높은 소프트웨어 패키지를 구매할지 결정할 수 있습니다. 엔지니어링 응용 분야에서는 기능이 무엇을 하는지 아는 것뿐만 아니라 왜 그렇게 작동하는지 이해하는 것도 중요합니다.

신디

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저는 신디입니다. 크레인 산업에서 10년의 근무 경험을 쌓았고 풍부한 전문 지식을 축적했습니다. 저는 500명 이상의 고객을 위해 만족스러운 크레인을 선택했습니다. 크레인에 대한 필요 사항이나 질문이 있으면 언제든지 저에게 연락하세요. 저는 제 전문 지식과 실무 경험을 활용하여 문제를 해결하도록 도와드리겠습니다!