Điều khiển tốc độ suy giảm từ trường trong hệ thống truyền động cần cẩu: Nguyên lý và ứng dụng

Phương pháp điều khiển tốc độ bằng cách làm suy yếu từ trường thường được sử dụng trong các cơ cấu nâng hạ để cải thiện hiệu quả hoạt động. Ý tưởng cơ bản rất đơn giản: động cơ chạy ở tốc độ cao nhất khi không tải, chạy ở tốc độ định mức khi có tải nặng, và sử dụng đường cong làm suy yếu từ trường đã được tính toán để xác định tốc độ phù hợp cho các tải trọng nằm giữa tải nặng và không tải.

Đối với hệ thống truyền động tời của cần cẩu trên cao và cần cẩu giàn, điều này giúp tăng tốc độ nâng hạ trong điều kiện không tải hoặc tải nhẹ, giảm thời gian nâng hạ, rút ngắn chu kỳ làm việc và nâng cao năng suất thiết bị.

Một số ứng dụng đặc biệt phải tuân theo dữ liệu thiết kế riêng. Ví dụ, trên cần cẩu giàn đóng tàu, nếu tốc độ không tải, tải một nửa và tải đầy đủ lần lượt là 3, 6 và 9 m/phút, và tỷ lệ suy giảm từ trường động cơ không thể đạt đến ba lần tốc độ định mức, thì tốc độ vận hành khi tải đầy đủ có thể thấp hơn tốc độ định mức.

Phần thảo luận sau đây sử dụng cần cẩu bến container và thiết bị dỡ hàng tàu làm ví dụ vì cả hai đều có yêu cầu hiệu suất cao. Tải trọng của cơ cấu nâng hạ không đạt đến tải trọng định mức trong mỗi chu kỳ. Đối với cần cẩu bến container, trọng lượng container thường nằm trong khoảng từ 3 đến 40 tấn, tùy thuộc vào hàng hóa bên trong container. Khi tải trọng nặng, tốc độ nâng hạ sẽ chậm hơn. Khi tải trọng nhẹ, tốc độ nâng hạ có thể được tăng lên, giúp giảm thời gian chu kỳ từ phía thiết bị.

Điều kiện vận hành của máy dỡ hàng trên tàu tương đối đơn giản. Trong giai đoạn khi cửa hầm đầy, việc dỡ hàng bằng gầu xúc thường diễn ra gần như ở mức tải tối đa. Khi gầu xúc mở ra, cơ cấu hoạt động ở tải trọng nhẹ, do đó hệ thống chủ yếu cần các dải tốc độ cao và thấp. Trong giai đoạn dọn dẹp, trọng lượng vật liệu được gắp mỗi lần thay đổi rất nhiều. Trong điều kiện này, hoạt động ở tốc độ cao với tải trọng nhẹ có thể rút ngắn đáng kể chu kỳ làm việc.

Nguyên lý điều khiển tốc độ làm suy yếu từ trường

Như thể hiện trong Hình 1-1, đường liền nét biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ và công suất, trong khi đường nét đứt biểu thị mối quan hệ giữa tốc độ và mô-men xoắn đầu ra.

Khi động cơ tăng tốc từ tốc độ bằng không đến tốc độ định mức n_N, công suất đầu ra của động cơ tỷ lệ thuận với tốc độ, trong khi mô-men xoắn đầu ra vẫn giữ ở mức mô-men xoắn định mức. Phạm vi này được gọi là phạm vi đặc tính mô-men xoắn không đổi.

Khi động cơ hoạt động từ tốc độ định mức n_N đến tốc độ tối đa n_max, công suất đầu ra của động cơ vẫn không đổi ở mức công suất định mức, trong khi mô-men xoắn đầu ra tỷ lệ nghịch với tốc độ. Khoảng hoạt động này được gọi là khoảng đặc tính công suất không đổi.

Các đường cong S1, S3-60%, S3-40% và S3-25% trong Hình 1-1 liên quan đến hiệu suất vận động và chỉ được hiển thị như ví dụ.

Khi tải đạt đến tải định mức, động cơ sẽ chạy ở tốc độ thấp hơn tốc độ định mức và duy trì trong phạm vi mô-men xoắn không đổi. Mô-men xoắn đầu ra có thể giữ nguyên, trong khi công suất đầu ra phụ thuộc vào tốc độ động cơ.

Khi tải trọng thấp hơn tải trọng định mức, động cơ có thể chuyển sang chế độ suy yếu từ trường và hoạt động ở tốc độ cao hơn tốc độ định mức. Trong chế độ công suất không đổi này, công suất đầu ra vẫn không đổi và mô-men xoắn đầu ra giảm khi tốc độ động cơ tăng.

Trong công tác thiết kế, cần xem xét cẩn thận đường cong đặc tính giới hạn điện áp và giới hạn tốc độ cơ học. Trong vận hành thực tế, cần duy trì một biên độ an toàn hợp lý so với các giới hạn này.

Đường cong suy giảm từ trường và phát hiện trọng lượng tải

Đường cong suy giảm từ trường có thể được tính toán từ hiệu suất cơ học và thường được nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM) cung cấp. Sau khi có đường cong suy giảm từ trường, nó có thể được cấu hình trong chương trình điều khiển với một biên độ nhất định, chẳng hạn như 5%.

Nguyên tắc cơ bản của điều khiển tốc độ phụ thuộc vào tải trọng là phát hiện chính xác trọng lượng tải. Trên thực tế, việc phát hiện tải trọng thường là một trong những điểm khó khăn.

Phương pháp 1: Phát hiện tải trọng bằng cảm biến cân

Trong quá trình tăng tốc nâng hạ, chương trình PLC tính toán trọng lượng tải từ tín hiệu analog của cảm biến cân. Sau đó, nó tính toán tốc độ tham chiếu của động cơ dựa trên trọng lượng tải và đường cong suy giảm từ trường, rồi gửi tín hiệu tham chiếu này đến biến tần để động cơ hoạt động ở tốc độ đã tính toán.

Tuy nhiên, dữ liệu từ cảm biến trọng lượng có thể bị sai lệch, và độ chính xác của phép đo rất khó đảm bảo. Điều này tạo ra rủi ro cao. Nếu tốc độ suy yếu từ trường được tính toán không chính xác, tốc độ có thể quá cao, trong khi mô-men xoắn đầu ra của động cơ nâng có thể không đủ. Điều này có thể dẫn đến tai nạn mất kiểm soát, chẳng hạn như quá tốc độ.

Phương pháp 2: Ước tính tải bằng dòng điện động cơ

Để giải quyết vấn đề độ chính xác của cảm biến cân, một phương pháp ước lượng tải trọng thông thường có thể được triển khai trong chương trình PLC. Dòng điện của động cơ nâng có thể được sử dụng để tính toán trọng lượng tải. Trong điều kiện hoạt động ổn định của động cơ, mô-men xoắn đầu ra của động cơ tỷ lệ thuận với trọng lượng tải, và dòng điện của động cơ xấp xỉ tỷ lệ thuận với mô-men xoắn đầu ra. Do đó, dòng điện của động cơ có thể được sử dụng để ước lượng trọng lượng tải.

Như thể hiện trong Hình 1-2, trong quá trình tăng tốc, mô-men xoắn đầu ra của động cơ bao gồm bốn phần, và M_LOAD tỷ lệ thuận với tải trọng.

Hệ số tỉ lệ K giữa dòng điện động cơ A và tải T phải được xác định bằng phép đo thực tế trong quá trình vận hành thử:

T = K x A

Phương pháp đo lường như sau:

• Nâng một vật có tải trọng xác định T_LOAD lên cho đến khi nó lơ lửng trên mặt đất, sau đó tăng tốc từ trạng thái đứng yên đến tốc độ cơ bản, hay tốc độ định mức.
• Thu thập dòng điện động cơ A. Việc lấy mẫu dòng điện phải được thực hiện trong giai đoạn tăng tốc vì tốc độ suy yếu từ trường phải được tính toán từ trọng lượng tải trong quá trình tăng tốc. Để cải thiện độ chính xác của dữ liệu, nên lấy mẫu ở giữa giai đoạn tăng tốc. Ví dụ, nếu thời gian tăng tốc từ 0 đến tốc độ cơ bản là 3 giây, việc lấy mẫu có thể bắt đầu sau 1,5 giây hoạt động. Lấy mẫu một lần mỗi 100 ms, thu thập tổng cộng 5 mẫu và sử dụng giá trị trung bình của 5 mẫu đó làm dòng điện động cơ A_M.
• Tính toán K: K = T_LOAD / A_M
• Trong quá trình vận hành thực tế, hãy đọc giá trị dòng điện A bằng phương pháp tương tự. Sau đó tính toán trọng lượng tải bằng công thức T = K x A và kết hợp kết quả với đường cong suy giảm từ trường để tính toán tốc độ suy giảm từ trường của động cơ.

Những điểm quan trọng:

• Vì lý do an toàn, nếu quá trình lấy mẫu hiện tại thất bại hoặc kết quả lấy mẫu không chắc chắn, động cơ chỉ nên hoạt động ở tốc độ định mức.
• Tốc độ suy yếu từ trường được tính toán trong quá trình nâng có thể được sử dụng làm tham chiếu cho quá trình hạ.
• Sau khi mỗi chu kỳ làm việc kết thúc, tốc độ làm suy yếu từ trường phải được đặt lại về tốc độ định mức. Tham chiếu tốc độ chỉ nên được cập nhật sau khi tốc độ làm suy yếu từ trường hợp lệ được tính toán lại.

Ghi chú về việc triển khai và nâng cấp của Siemens

Các hệ thống Siemens đời đầu sử dụng các bo mạch công nghệ như T300, tích hợp chức năng điều khiển tốc độ làm suy yếu từ trường. Người dùng chỉ cần phát triển ứng dụng đơn giản và vận hành thử cẩn thận tại chỗ trước khi sử dụng. Bo mạch T300 được lắp đặt bên cạnh bo mạch CUVC trong hộp điện tử Masterdrive 6SE70, và một chip EPROM được gắn vào T300, do đó chương trình được lưu trữ trong EPROM.

Với hệ thống truyền động SINAMICS mới hơn, Siemens đã phát triển gói phần mềm điều khiển cần cẩu SIMOCRANE trên nền tảng SIMOTION. Nó bao gồm các chương trình công nghệ cần cẩu như điều khiển tốc độ suy giảm từ trường. Khi SIMOTION ngừng hoạt động, SIMOCRANE được chuyển sang nền tảng phần cứng CU320 và vẫn hỗ trợ điều khiển tốc độ suy giảm từ trường.

Các dự án nâng cấp cần sự chú ý đặc biệt. T300 không thể sử dụng trong hệ thống SINAMICS, do đó các chức năng của nó phải được chuyển sang PLC, CU320 hoặc nền tảng khác. Nếu không, cần cẩu có chức năng làm suy yếu từ trường có thể bị biến đổi thành cần cẩu chỉ có hai tốc độ: tốc độ cao và tốc độ thấp.

Sau khi hiểu rõ nguyên lý hoạt động và phương pháp thực hiện, nhóm dự án có thể quyết định tự phát triển chức năng đó hay mua một gói phần mềm hoàn chỉnh. Đối với các ứng dụng kỹ thuật, điều quan trọng không chỉ là biết chức năng đó làm gì mà còn phải hiểu tại sao nó hoạt động.

Cindy

WhatsApp: +86 191 3738 6654

E-mail: cindywang@hndfcrane.com

Tôi là Cindy, với 10 năm kinh nghiệm làm việc trong ngành cần cẩu và tích lũy được nhiều kiến thức chuyên môn. Tôi đã lựa chọn những chiếc cần cẩu thỏa mãn cho hơn 500 khách hàng. Nếu bạn có bất kỳ nhu cầu hoặc câu hỏi nào về cần cẩu, vui lòng liên hệ với tôi, tôi sẽ sử dụng chuyên môn và kinh nghiệm thực tế của mình để giúp bạn giải quyết vấn đề!