Snelheidsregeling van de veldverzwakking in het aandrijfsysteem van een kraan: principes en implementatie

Snelheidsregeling met veldverzwakking voor kraanaandrijvingen wordt vaak gebruikt in hijsmechanismen om de operationele efficiëntie te verbeteren. Het basisprincipe is eenvoudig: de motor draait op de hoogste snelheid bij onbelaste toestand, op de nominale snelheid bij zware belasting en gebruikt een berekende veldverzwakkingscurve om de juiste snelheid te bepalen voor belastingen tussen zware belasting en onbelaste toestand.

Voor aandrijvingen van bovenloopkranen en portaalkranen helpt dit de hijssnelheid te verhogen bij onbelaste of licht belaste omstandigheden, de hijstijd te verkorten, de werkcyclus te verkorten en de productiviteit van de apparatuur te verbeteren.

Voor sommige speciale toepassingen gelden eigen ontwerpgegevens. Bijvoorbeeld, bij een portaalkraan in de scheepsbouw geldt dat als de onbelaste, halfbelaste en vollaste snelheden respectievelijk 3, 6 en 9 m/min zijn, en de veldverzwakkingsverhouding van de motor niet driemaal de nominale snelheid kan bereiken, de vollaste bedrijfssnelheid lager kan zijn dan de nominale snelheid.

In de volgende bespreking worden containerkranen en scheepslossers als voorbeelden gebruikt, omdat beide hoge efficiëntie-eisen stellen. De belasting van een hijsmechanisme bereikt niet bij elke cyclus de nominale belasting. Voor een containerkraan ligt het gewicht van een container doorgaans tussen de 3 en 40 ton, afhankelijk van de inhoud. Bij een zware last is de hijssnelheid lager. Bij een lichte last kan de hijssnelheid worden verhoogd, waardoor de cyclustijd aan de machinezijde wordt verkort.

De werking van een scheepslosser is relatief eenvoudig. Tijdens de fase waarin het luik volledig gevuld is, vindt het lossen met de grijper meestal plaats bij een bijna volle lading. Wanneer de grijper opent, staat het mechanisme onder lichte belasting, waardoor het systeem voornamelijk hoge en lage snelheden nodig heeft. Tijdens de fase waarin het materiaal wordt opgeraapt, varieert het gewicht van de telkens opgeraapte lading sterk. In deze situatie kan een snelle werking met lichte belasting de werkcyclus aanzienlijk verkorten.

Principe van veldverzwakkingssnelheidsregeling

Zoals weergegeven in figuur 1-1, geeft de ononderbroken lijn het verband weer tussen snelheid en vermogen, terwijl de stippellijn het verband weergeeft tussen snelheid en uitgangskoppel.

Wanneer de motor accelereert van stilstand naar de nominale snelheid n_N, is het uitgangsvermogen van de motor evenredig met de snelheid, terwijl het uitgangskoppel constant blijft op het nominale koppel. Dit bereik wordt het constantkoppelbereik genoemd.

Wanneer de motor draait van het nominale toerental n_N tot het maximale toerental n_max, blijft het uitgangsvermogen van de motor constant op het nominale vermogen, terwijl het uitgangskoppel omgekeerd evenredig is met het toerental. Dit bereik wordt het constantvermogensbereik genoemd.

De S1-, S3-60%-, S3-40%- en S3-25%-curven in figuur 1-1 hebben betrekking op de motorische prestaties en worden slechts als voorbeeld weergegeven.

Wanneer de belasting het nominale toerental bereikt, draait de motor onder het nominale toerental en blijft in het constantkoppelbereik. Het uitgangskoppel kan constant blijven, terwijl het uitgangsvermogen afhankelijk is van het motortoerental.

Wanneer de belasting lager is dan de nominale belasting, kan de motor in het veldverzwakkingsgebied komen en boven het nominale toerental draaien. In dit constante-vermogensgebied blijft het uitgangsvermogen constant en neemt het uitgangskoppel af naarmate het motortoerental toeneemt.

Bij het ontwerpen moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de spanningslimietkarakteristiek en de mechanische snelheidslimiet. In de praktijk moet een redelijke marge ten opzichte van deze limieten worden aangehouden.

Veldverzwakkingscurve en detectie van belastinggewicht

De veldverzwakkingscurve kan worden berekend op basis van de mechanische prestaties en wordt doorgaans door de OEM verstrekt. Zodra de veldverzwakkingscurve beschikbaar is, kan deze in het besturingsprogramma met een bepaalde marge worden geconfigureerd, bijvoorbeeld 5%.

Het uitgangspunt van lastafhankelijke snelheidsregeling is een nauwkeurige detectie van het lastgewicht. In de praktijk is lastdetectie vaak een van de lastigste punten.

Methode 1: Belastingdetectie door middel van een weegsensor

Tijdens het accelereren van de hijs berekent het PLC-programma het gewicht van de last aan de hand van de analoge uitgang van de weegsensor. Vervolgens berekent het de referentiesnelheid van de motor op basis van het lastgewicht en de veldverzwakkingscurve en stuurt deze referentie naar de frequentieomvormer, zodat de motor op de berekende snelheid draait.

De gegevens van de weegsensor kunnen echter afwijken en de meetnauwkeurigheid is moeilijk te garanderen. Dit brengt een hoog risico met zich mee. Als de berekende veldverzwakkingssnelheid onnauwkeurig is, kan de snelheid te hoog zijn, terwijl het koppel van de hijsmotor onvoldoende is. Dit kan leiden tot een ongeval waarbij de controle verloren gaat, zoals overtoeren.

Methode 2: Belastingschatting op basis van motorstroom

Om het nauwkeurigheidsprobleem van weegsensoren aan te pakken, kan een gangbare methode voor lastschatting in het PLC-programma worden geïmplementeerd. De stroomsterkte van de hijsmotor kan worden gebruikt om het gewicht van de last te berekenen. Bij een stabiele werking van de motor is het uitgangskoppel evenredig met het gewicht van de last, en de motorstroom is ongeveer evenredig met het uitgangskoppel. Daarom kan de motorstroom worden gebruikt om het gewicht van de last te schatten.

Zoals weergegeven in figuur 1-2, bestaat het uitgangskoppel van de motor tijdens acceleratie uit vier delen, waarbij M_LOAD evenredig is met de belasting.

De evenredigheidscoëfficiënt K tussen motorstroom A en belasting T moet tijdens de inbedrijfstelling door middel van daadwerkelijke metingen worden vastgesteld:

T = K x A

De meetmethode is als volgt:

• Til een bekende last T_LOAD op totdat deze boven de grond hangt, en versnel deze vervolgens vanuit stilstand tot de basissnelheid, oftewel de nominale snelheid.
• Bepaal de motorstroom A. Stroommeting moet worden uitgevoerd tijdens de acceleratiefase, omdat de snelheid waarmee het magnetische veld verzwakt moet worden berekend op basis van het gewicht van de belasting tijdens de acceleratie. Om de nauwkeurigheid van de gegevens te verbeteren, wordt aanbevolen om halverwege de acceleratie te meten. Als de acceleratietijd van nul tot basissnelheid bijvoorbeeld 3 seconden is, kan de meting na 1,5 seconde beginnen. Meet elke 100 ms, verzamel in totaal 5 metingen en gebruik het gemiddelde van de 5 metingen als motorstroom A_M.
• Bereken K: K = T_LOAD / A_M
• Lees tijdens de daadwerkelijke werking de actuele waarde A af met dezelfde methode. Bereken vervolgens het gewicht van de belasting met de formule T = K x A en combineer dit resultaat met de veldverzwakkingscurve om de snelheid van de veldverzwakking van de motor te berekenen.

Belangrijke punten:

• Voor de veiligheid mag de motor, indien de stroommeting mislukt of het meetresultaat onzeker is, alleen op het nominale toerental draaien.
• De tijdens het hijsen berekende snelheid waarmee het magnetische veld verzwakt, kan ook als referentie worden gebruikt bij het laten zakken.
• Na afloop van elke werkcyclus moet de veldverzwakkingssnelheid worden teruggezet naar de nominale snelheid. De snelheidsreferentie mag alleen worden bijgewerkt nadat een geldige veldverzwakkingssnelheid opnieuw is berekend.

Siemens implementatie- en retrofitnotities

De eerste Siemens-systemen maakten gebruik van technologiekaarten zoals de T300, die de snelheidsregeling met veldverzwakking integreerden. Gebruikers hoefden slechts een eenvoudige applicatie te ontwikkelen en de installatie zorgvuldig ter plaatse uit te voeren. De T300 werd naast de CUVC-kaart in de elektronische behuizing van de Masterdrive 6SE70 geplaatst en er werd een EPROM in de T300 geplaatst, zodat het programma in de EPROM werd opgeslagen.

Met het nieuwere SINAMICS-aandrijfsysteem ontwikkelde Siemens het SIMOCRANE-kraanbesturingssoftwarepakket op het SIMOTION-platform. Dit omvatte kraantechnologieprogramma's zoals snelheidsregeling voor veldverzwakking. Toen SIMOTION werd uitgefaseerd, werd SIMOCRANE overgezet naar het CU320-hardwareplatform en ondersteunt het nog steeds snelheidsregeling voor veldverzwakking.

Retrofitprojecten vereisen speciale aandacht. De T300 kan niet in een SINAMICS-systeem worden gebruikt, dus de functies ervan moeten worden overgezet naar een PLC, CU320 of een ander platform. Anders kan een kraan met veldverzwakkingsfunctie worden omgebouwd tot een kraan met slechts twee snelheden: hoge snelheid en lage snelheid.

Nadat het werkingsprincipe en de implementatiemethode duidelijk zijn, kan het projectteam beslissen of de functie zelf ontwikkeld moet worden of dat er een bestaand softwarepakket aangeschaft moet worden. Voor technische toepassingen is het niet alleen belangrijk om te weten wat de functie doet, maar ook om te begrijpen waarom deze werkt.

Cindy

Whatsappen: +86 191 3738 6654

E-mail: cindywang@hndfcrane.com

Ik ben Cindy, met 10 jaar werkervaring in de kraanindustrie en een schat aan professionele kennis. Ik heb de bevredigende kranen voor meer dan 500 klanten geselecteerd. Als u behoeften of vragen over kranen hebt, neem dan gerust contact met mij op, ik zal mijn expertise en praktische ervaring gebruiken om u te helpen het probleem op te lossen!