การควบคุมความเร็วโดยการลดสนามแม่เหล็กในระบบขับเคลื่อนเครน: หลักการและการนำไปใช้

การควบคุมความเร็วด้วยการลดความแรงสนามแม่เหล็กของมอเตอร์เครน มักใช้ในกลไกการยกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน หลักการพื้นฐานนั้นง่าย คือ มอเตอร์จะทำงานที่ความเร็วสูงสุดเมื่อไม่มีภาระ ทำงานที่ความเร็วพิกัดเมื่อมีภาระหนัก และใช้เส้นโค้งการลดความแรงสนามแม่เหล็กที่คำนวณไว้เพื่อกำหนดความเร็วที่เหมาะสมสำหรับภาระระหว่างภาระหนักและไม่มีภาระ

สำหรับชุดขับรอกของเครนเหนือศีรษะและเครนโครงสร้าง จะช่วยเพิ่มความเร็วในการยกในสภาวะที่ไม่มีน้ำหนักบรรทุกหรือมีน้ำหนักเบา ลดเวลาในการยก ลดระยะเวลาการทำงาน และปรับปรุงประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์

ในบางการใช้งานพิเศษ จำเป็นต้องปฏิบัติตามข้อมูลการออกแบบเฉพาะของตนเอง ตัวอย่างเช่น ในเครนยกของสำหรับงานต่อเรือ หากความเร็วขณะไม่มีโหลด โหลดครึ่งหนึ่ง และโหลดเต็มที่ คือ 3, 6 และ 9 เมตร/นาที ตามลำดับ และอัตราส่วนการลดสนามแม่เหล็กของมอเตอร์ไม่สามารถถึงสามเท่าของความเร็วที่กำหนด ความเร็วในการทำงานขณะโหลดเต็มที่อาจต่ำกว่าความเร็วที่กำหนดได้

การอภิปรายต่อไปนี้จะใช้เครนยกตู้คอนเทนเนอร์และเครื่องขนถ่ายสินค้าจากเรือเป็นตัวอย่าง เนื่องจากทั้งสองอย่างมีความต้องการประสิทธิภาพสูง ภาระของกลไกการยกไม่ได้ถึงภาระที่กำหนดไว้ทุกรอบการทำงาน สำหรับเครนยกตู้คอนเทนเนอร์ น้ำหนักของตู้คอนเทนเนอร์โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 3 ถึง 40 ตัน ขึ้นอยู่กับสินค้าภายในตู้คอนเทนเนอร์ เมื่อน้ำหนักมาก ความเร็วในการยกจะต่ำลง เมื่อน้ำหนักเบา ความเร็วในการยกสามารถเพิ่มขึ้นได้ ซึ่งจะช่วยลดเวลาในการทำงานจากฝั่งอุปกรณ์

สภาวะการทำงานของเครื่องขนถ่ายสินค้าจากเรือนั้นค่อนข้างเรียบง่าย ในช่วงที่สินค้าเต็มระวาง การขนถ่ายโดยใช้เครนยกมักจะใกล้เคียงกับน้ำหนักบรรทุกเต็มที่ เมื่อเครนยกเปิดออก กลไกจะอยู่ภายใต้ภาระเบา ดังนั้นระบบจึงต้องการช่วงความเร็วสูงและต่ำเป็นหลัก ในช่วงขั้นตอนการเก็บกวาด น้ำหนักของวัสดุที่ยกได้ในแต่ละครั้งจะแตกต่างกันอย่างมาก ในสภาวะเช่นนี้ การทำงานที่ความเร็วสูงและภาระเบาจะช่วยลดระยะเวลาการทำงานได้อย่างมาก

หลักการควบคุมความเร็วโดยการลดสนามแม่เหล็ก

ดังแสดงในรูปที่ 1-1 เส้นทึบแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและกำลัง ในขณะที่เส้นประแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วและแรงบิดเอาต์พุต

เมื่อมอเตอร์เร่งความเร็วจากศูนย์ถึงความเร็วพิกัด n_N กำลังเอาต์พุตของมอเตอร์จะแปรผันตรงกับความเร็ว ในขณะที่แรงบิดเอาต์พุตจะคงที่ที่แรงบิดพิกัด ช่วงนี้เรียกว่าช่วงลักษณะแรงบิดคงที่

เมื่อมอเตอร์ทำงานที่ความเร็วตั้งแต่ระดับพิกัด n_N ถึงความเร็วสูงสุด n_max กำลังเอาต์พุตของมอเตอร์จะคงที่ตามกำลังพิกัด ในขณะที่แรงบิดเอาต์พุตจะแปรผกผันกับความเร็ว ช่วงนี้เรียกว่าช่วงลักษณะการทำงานที่กำลังคงที่

เส้นโค้ง S1, S3-60%, S3-40% และ S3-25% ในรูปที่ 1-1 เกี่ยวข้องกับประสิทธิภาพของมอเตอร์ และแสดงไว้เป็นเพียงตัวอย่างเท่านั้น

เมื่อภาระถึงระดับภาระที่กำหนด มอเตอร์จะทำงานที่ความเร็วต่ำกว่าความเร็วที่กำหนดและคงอยู่ในช่วงแรงบิดคงที่ แรงบิดเอาต์พุตจึงคงที่ ในขณะที่กำลังเอาต์พุตขึ้นอยู่กับความเร็วของมอเตอร์

เมื่อภาระต่ำกว่าภาระพิกัด มอเตอร์สามารถเข้าสู่ช่วงการลดสนามแม่เหล็กและทำงานที่ความเร็วสูงกว่าพิกัดได้ ในช่วงกำลังคงที่นี้ กำลังเอาต์พุตจะคงที่ และแรงบิดเอาต์พุตจะลดลงเมื่อความเร็วของมอเตอร์เพิ่มขึ้น

ในการออกแบบ ควรพิจารณาเส้นโค้งลักษณะเฉพาะของแรงดันไฟฟ้าและขีดจำกัดความเร็วเชิงกลอย่างรอบคอบ ในการใช้งานจริง ควรเว้นระยะห่างที่เหมาะสมจากขีดจำกัดเหล่านี้

เส้นโค้งการลดสนามแม่เหล็กและการตรวจจับน้ำหนักบรรทุก

เส้นโค้งการลดสนามแม่เหล็กสามารถคำนวณได้จากสมรรถนะทางกล และโดยปกติแล้วผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM) จะเป็นผู้จัดหาให้ เมื่อได้เส้นโค้งการลดสนามแม่เหล็กแล้ว ก็สามารถกำหนดค่าในโปรแกรมควบคุมได้โดยมีค่าเผื่อที่เหมาะสม เช่น 5%

หลักการพื้นฐานของการควบคุมความเร็วตามน้ำหนักบรรทุกคือการตรวจจับน้ำหนักบรรทุกอย่างแม่นยำ ในทางปฏิบัติ การตรวจจับน้ำหนักบรรทุกมักเป็นหนึ่งในจุดที่ยากที่สุด

วิธีที่ 1: การตรวจจับน้ำหนักบรรทุกด้วยเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนัก

ในระหว่างการเร่งความเร็วในการยก โปรแกรม PLC จะคำนวณน้ำหนักบรรทุกจากเอาต์พุตแบบอนาล็อกของเซ็นเซอร์วัดน้ำหนัก จากนั้นจะคำนวณความเร็วอ้างอิงของมอเตอร์จากน้ำหนักบรรทุกและเส้นโค้งการลดสนามแม่เหล็ก และส่งค่าอ้างอิงไปยังอินเวอร์เตอร์ เพื่อให้มอเตอร์ทำงานที่ความเร็วที่คำนวณได้

อย่างไรก็ตาม ข้อมูลจากเซ็นเซอร์วัดน้ำหนักอาจคลาดเคลื่อน และความแม่นยำในการวัดนั้นยากที่จะรับประกันได้ ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงสูง หากความเร็วในการลดสนามแม่เหล็กที่คำนวณได้ไม่แม่นยำ ความเร็วอาจสูงเกินไป ในขณะที่แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ยกอาจไม่เพียงพอ ซึ่งอาจนำไปสู่อุบัติเหตุที่ทำให้สูญเสียการควบคุม เช่น การหมุนเร็วเกินไป

วิธีที่ 2: การประมาณภาระโดยใช้กระแสไฟฟ้าของมอเตอร์

เพื่อแก้ไขปัญหาความแม่นยำของเซ็นเซอร์ชั่งน้ำหนัก สามารถนำวิธีการประมาณน้ำหนักบรรทุกทั่วไปมาใช้ในโปรแกรม PLC ได้ โดยใช้กระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ยกในการคำนวณน้ำหนักบรรทุก ในสภาวะการทำงานของมอเตอร์ที่คงที่ แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์จะแปรผันตรงกับน้ำหนักบรรทุก และกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์จะแปรผันตรงกับแรงบิดเอาต์พุตโดยประมาณ ดังนั้น กระแสไฟฟ้าของมอเตอร์จึงสามารถใช้ในการประมาณน้ำหนักบรรทุกได้

ดังแสดงในรูปที่ 1-2 ในระหว่างการเร่งความเร็ว แรงบิดเอาต์พุตของมอเตอร์ประกอบด้วยสี่ส่วน และ M_LOAD จะเป็นสัดส่วนกับภาระ

ค่าสัมประสิทธิ์สัดส่วน K ระหว่างกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ A และโหลด T จะต้องถูกกำหนดโดยการวัดจริงในระหว่างการทดสอบระบบ:

T = K x A

วิธีการวัดมีดังนี้:

• ยกน้ำหนักที่ทราบค่า T_LOAD จนกระทั่งลอยอยู่เหนือพื้น จากนั้นเร่งความเร็วจากหยุดนิ่งไปจนถึงความเร็วพื้นฐานหรือความเร็วที่กำหนด
• วัดกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ A การสุ่มตัวอย่างกระแสไฟฟ้าต้องทำในระหว่างขั้นตอนการเร่งความเร็ว เนื่องจากความเร็วในการลดสนามแม่เหล็กต้องคำนวณจากน้ำหนักบรรทุกในระหว่างการเร่งความเร็ว เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของข้อมูล แนะนำให้สุ่มตัวอย่างในช่วงกลางของการเร่งความเร็ว ตัวอย่างเช่น หากเวลาในการเร่งความเร็วจากศูนย์ถึงความเร็วพื้นฐานคือ 3 วินาที การสุ่มตัวอย่างสามารถเริ่มต้นได้หลังจากการทำงาน 1.5 วินาที สุ่มตัวอย่างทุกๆ 100 มิลลิวินาที เก็บตัวอย่างทั้งหมด 5 ตัวอย่าง และใช้ค่าเฉลี่ยของ 5 ตัวอย่างเป็นกระแสไฟฟ้าของมอเตอร์ A_M
• คำนวณค่า K: K = T_LOAD / A_M
• ในระหว่างการใช้งานจริง ให้อ่านค่ากระแสไฟฟ้า A โดยใช้วิธีเดียวกัน จากนั้นคำนวณน้ำหนักบรรทุกโดยใช้สูตร T = K x A และนำผลลัพธ์ไปรวมกับกราฟการลดสนามแม่เหล็กเพื่อคำนวณความเร็วในการลดสนามแม่เหล็กของมอเตอร์

จุดสำคัญ:

• เพื่อความปลอดภัย หากการสุ่มตัวอย่างกระแสไฟฟ้าล้มเหลวหรือผลการสุ่มตัวอย่างไม่แน่นอน ควรปล่อยให้มอเตอร์ทำงานที่ความเร็วพิกัดเท่านั้น
• อัตราการลดความเข้มสนามแม่เหล็กที่คำนวณได้ระหว่างการยกขึ้น สามารถใช้เป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการลดระดับได้เช่นกัน
• หลังจากสิ้นสุดรอบการทำงานแต่ละครั้ง ควรปรับความเร็วในการลดสนามแม่เหล็กกลับไปเป็นความเร็วที่กำหนดไว้ ควรทำการอัปเดตค่าอ้างอิงความเร็วก็ต่อเมื่อได้คำนวณความเร็วในการลดสนามแม่เหล็กที่ถูกต้องแล้วเท่านั้น

หมายเหตุเกี่ยวกับการติดตั้งและการปรับปรุงระบบของ Siemens

ระบบรุ่นแรกๆ ของซีเมนส์ใช้บอร์ดเทคโนโลยี เช่น T300 ซึ่งรวมฟังก์ชันควบคุมความเร็วด้วยการลดสนามแม่เหล็กไว้ด้วย ผู้ใช้เพียงแค่ต้องพัฒนาแอปพลิเคชันอย่างง่ายๆ และทำการทดสอบระบบอย่างละเอียดก่อนใช้งาน บอร์ด T300 จะถูกติดตั้งไว้ข้างๆ บอร์ด CUVC ในกล่องอิเล็กทรอนิกส์ Masterdrive 6SE70 และมีการใส่ EPROM ลงในบอร์ด T300 เพื่อจัดเก็บโปรแกรมลงใน EPROM

ด้วยระบบขับเคลื่อน SINAMICS รุ่นใหม่กว่า ซีเมนส์ได้พัฒนาซอฟต์แวร์ควบคุมเครน SIMOCRANE บนแพลตฟอร์ม SIMOTION ซึ่งรวมถึงโปรแกรมเทคโนโลยีเครน เช่น การควบคุมความเร็วเมื่อสนามแม่เหล็กอ่อนลง เมื่อ SIMOTION ถูกยกเลิกการใช้งาน SIMOCRANE จึงถูกย้ายไปยังแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ CU320 และยังคงรองรับการควบคุมความเร็วเมื่อสนามแม่เหล็กอ่อนลงอยู่

โครงการปรับปรุงระบบเดิมจำเป็นต้องได้รับการดูแลเป็นพิเศษ T300 ไม่สามารถใช้งานร่วมกับระบบ SINAMICS ได้ ดังนั้นฟังก์ชันการทำงานจึงต้องถูกย้ายไปยัง PLC, CU320 หรือแพลตฟอร์มอื่น มิเช่นนั้น เครนที่มีฟังก์ชันลดแรงสั่นสะเทือนอาจกลายเป็นเครนที่มีความเร็วเพียงสองระดับ คือ ความเร็วสูงและความเร็วต่ำ

หลังจากที่เข้าใจหลักการทำงานและวิธีการใช้งานแล้ว ทีมงานโครงการสามารถตัดสินใจได้ว่าจะพัฒนาฟังก์ชันนั้นด้วยตนเองหรือซื้อซอฟต์แวร์สำเร็จรูป สำหรับการใช้งานทางด้านวิศวกรรม สิ่งสำคัญไม่ใช่แค่การรู้ว่าฟังก์ชันนั้นทำอะไร แต่ยังต้องเข้าใจด้วยว่าทำไมมันถึงได้ผล

ซินดี้

วอทส์แอพพ์: +86 191 3738 6654

อีเมล: cindywang@hndfcrane.com

ฉันชื่อซินดี้ มีประสบการณ์การทำงานในอุตสาหกรรมเครนมากว่า 10 ปี และมีความรู้ความเชี่ยวชาญอย่างมากมาย ฉันเลือกเครนที่ลูกค้าพอใจมากกว่า 500 ราย หากคุณมีความต้องการหรือมีคำถามเกี่ยวกับเครน โปรดติดต่อฉันได้เลย ฉันจะใช้ความเชี่ยวชาญและประสบการณ์จริงของฉันเพื่อช่วยคุณแก้ปัญหา!