Керування швидкістю з ослабленням поля в системі приводу крана: принципи та реалізація

Регулювання швидкості ослаблення поля приводу крана часто використовується в підйомних механізмах для підвищення ефективності роботи. Основна ідея проста: двигун працює з найвищою швидкістю в умовах холостого ходу, працює з номінальною швидкістю під великим навантаженням і використовує розраховану криву ослаблення поля для визначення належної швидкості для навантажень між великим навантаженням і холостим ходу.

Для приводів підйомників мостових та козлових кранів це допомагає збільшити швидкість підйому в умовах холостого ходу або з невеликим навантаженням, зменшити час підйому, скоротити робочий цикл та підвищити продуктивність обладнання.

Деякі спеціальні застосування повинні відповідати власним проектним даним. Наприклад, на козловому крані для суднобудування, якщо швидкості без навантаження, половинного та повного навантаження становлять 3, 6 та 9 м/хв відповідно, а коефіцієнт ослаблення поля двигуна не може досягти трикратного значення номінальної швидкості, робоча швидкість при повному навантаженні може бути нижчою за номінальну швидкість.

У наступному обговоренні як приклади використовуються контейнерні причальні крани та розвантажувачі суден, оскільки обидва мають високі вимоги до ефективності. Вантажопідйомний механізм не досягає номінального навантаження за кожен цикл. Для контейнерного причального крана вага контейнера зазвичай становить від 3 до 40 тонн, залежно від товарів усередині контейнера. Коли вантаж важкий, швидкість підйому нижча. Коли вантаж легкий, швидкість підйому можна збільшити, зменшуючи час циклу з боку обладнання.

Умови експлуатації суднорозвантажувача відносно простіші. На етапі повного люка розвантаження грейфера зазвичай близьке до повного завантаження. Коли грейфер відкривається, механізм знаходиться під невеликим навантаженням, тому системі потрібні переважно діапазони високих і низьких швидкостей. На етапі очищення вага матеріалу, що захоплюється, щоразу сильно варіюється. У цьому стані робота з невеликим навантаженням і високою швидкістю може значно скоротити робочий цикл.

Принцип керування швидкістю з ослабленням поля

Як показано на рис. 1-1, суцільна лінія представляє зв'язок між швидкістю та потужністю, тоді як пунктирна лінія представляє зв'язок між швидкістю та вихідним крутним моментом.

Коли двигун розганяється від нульової швидкості до номінальної швидкості n_N, вихідна потужність двигуна пропорційна швидкості, тоді як вихідний крутний момент залишається на рівні номінального. Цей діапазон називається діапазоном характеристики постійного крутного моменту.

Коли двигун працює від номінальної швидкості n_N до максимальної швидкості n_max, вихідна потужність двигуна залишається постійною при номінальній потужності, тоді як вихідний крутний момент обернено пропорційний швидкості. Цей діапазон називається діапазоном характеристики постійної потужності.

Криві S1, S3-60%, S3-40% та S3-25% на рис. 1-1 стосуються характеристик двигуна та показані лише як приклади.

Коли навантаження досягає номінального, двигун працює на швидкості нижче номінальної та залишається в діапазоні постійного крутного моменту. Вихідний крутний момент може залишатися постійним, тоді як вихідна потужність залежить від швидкості двигуна.

Коли навантаження нижче номінального, двигун може потрапити в діапазон ослаблення поля та працювати зі швидкістю вище номінальної. У цьому діапазоні постійної потужності вихідна потужність залишається постійною, а вихідний крутний момент зменшується зі збільшенням швидкості двигуна.

Під час проектування слід ретельно враховувати характеристику граничної напруги та механічне обмеження швидкості. Фактична експлуатація повинна мати розумний запас від цих меж.

Крива ослаблення поля та виявлення ваги навантаження

Криву ослаблення поля можна розрахувати на основі механічних характеристик і зазвичай надається виробником оригінального обладнання (OEM). Після того, як крива ослаблення поля буде доступна, її можна налаштувати в програмі керування з певним запасом, наприклад, 5%.

Передумовою керування швидкістю залежно від навантаження є точне визначення ваги вантажу. На практиці визначення навантаження часто є одним із складних моментів.

Спосіб 1: Виявлення навантаження за допомогою датчика ваги

Під час прискорення підйому програма ПЛК обчислює вагу вантажу з аналогового виходу датчика ваги. Потім вона обчислює завдання швидкості двигуна на основі ваги вантажу та кривої ослаблення поля та надсилає завдання на інвертор, щоб двигун працював з розрахованою швидкістю.

Однак дані датчика зважування можуть дрейфувати, і точність вимірювання важко гарантувати. Це створює високий ризик. Якщо розрахована швидкість ослаблення поля неточна, швидкість може бути занадто високою, а вихідний крутний момент двигуна підйомника може бути недостатнім. Це може призвести до втрати керування, наприклад, перевищення швидкості.

Метод 2: Оцінка навантаження за струмом двигуна

Для вирішення проблеми точності датчиків ваг у програмі ПЛК можна реалізувати загальний метод оцінки навантаження. Струм двигуна підйомника можна використовувати для розрахунку ваги вантажу. При сталому режимі роботи двигуна вихідний крутний момент двигуна пропорційний вазі вантажу, а струм двигуна приблизно пропорційний вихідному крутному моменту. Отже, струм двигуна можна використовувати для оцінки ваги вантажу.

Як показано на рис. 1-2, під час розгону вихідний крутний момент двигуна складається з чотирьох частин, а M_LOAD пропорційний навантаженню.

Коефіцієнт пропорційності K між струмом двигуна A та навантаженням T необхідно визначити шляхом фактичних вимірювань під час введення в експлуатацію:

Т = К x А

Метод вимірювання такий:

• Підніміть відомий вантаж T_LOAD, доки він не буде підвішений над землею, потім розігніть його з місця до базової швидкості або номінальної швидкості.
• Отримайте струм двигуна A. Вибірка струму повинна виконуватися під час етапу розгону, оскільки швидкість ослаблення поля повинна розраховуватися на основі ваги навантаження під час розгону. Для підвищення точності даних рекомендується вибірка посередині розгону. Наприклад, якщо час розгону від нуля до базової швидкості становить 3 секунди, вибірка може розпочатися через 1,5 секунди роботи. Вибірка проводиться кожні 100 мс, зберіть загалом 5 вибірок і використовуйте середнє значення 5 вибірок як струм двигуна A_M.
• Обчисліть K: K = T_LOAD / A_M
• Під час фактичної роботи зчитайте значення струму A, використовуючи той самий метод. Потім обчисліть вагу навантаження за формулою T = K x A та поєднайте результат з кривою ослаблення поля, щоб обчислити швидкість ослаблення поля двигуна.

Важливі моменти:

• З міркувань безпеки, якщо вибірка струму не вдається або результат вибірки невизначений, двигун слід дозволити працювати лише на номінальній швидкості.
• Швидкість ослаблення поля, розрахована під час підйому, також може бути використана як орієнтир для опускання.
• Після завершення кожного робочого циклу швидкість ослаблення поля слід скидати до номінальної швидкості. Опорне значення швидкості слід оновлювати лише після перерахунку дійсної швидкості ослаблення поля.

Нотатки щодо впровадження та модернізації від Siemens

Ранні системи Siemens використовували технологічні плати, такі як T300, які інтегрували функцію керування швидкістю з ослабленням поля. Користувачам потрібна була лише проста розробка додатків та ретельне введення в експлуатацію на місці перед використанням. T300 встановлювався поруч із платою CUVC в електронному корпусі Masterdrive 6SE70, а в T300 вставлялася EPROM, тому програма зберігалася в EPROM.

З новою системою приводів SINAMICS компанія Siemens розробила програмний пакет керування краном SIMOCRANE на платформі SIMOTION. Він включав такі програми для кранів, як керування швидкістю з ослабленням поля. Оскільки SIMOTION поступово припинявся, SIMOCRANE було перенесено на апаратну платформу CU320 і досі підтримує керування швидкістю з ослабленням поля.

Проекти модернізації потребують особливої уваги. T300 не може використовуватися в системі SINAMICS, тому його функції необхідно перенести на ПЛК, CU320 або іншу платформу. В іншому випадку, кран з функцією ослаблення поля може бути модифікований у кран лише з двома швидкостями: високою та низькою.

Після того, як принцип функції та метод реалізації зрозумілі, команда проекту може вирішити, чи розробляти функцію самостійно, чи придбати зрілий програмний пакет. Для інженерних застосувань важливо не лише знати, що робить функція, але й розуміти, чому вона працює.

Сінді

WhatsApp: +86 191 3738 6654

Електронна пошта: cindywang@hndfcrane.com

Мене звати Сінді, я маю 10-річний досвід роботи в крановій промисловості та накопичив багаті професійні знання. Я вибрав задовільні крани для 500+ клієнтів. Якщо у вас є якісь потреби або запитання щодо кранів, будь ласка, не соромтеся зв’язатися зі мною, я використаю свої знання та практичний досвід, щоб допомогти вам вирішити проблему!