起重机驱动系统中弱磁调速：原理与实现

起重机驱动弱磁调速技术常用于起升机构，以提高运行效率。其基本原理很简单：电机在空载时以最高转速运行，在重载时以额定转速运行，并根据计算出的弱磁曲线确定介于重载和空载之间的各种负载情况下的合适转速。

对于桥式起重机和门式起重机的提升驱动装置，这有助于在空载或轻载条件下提高提升速度，减少提升时间，缩短工作周期，提高设备生产率。

某些特殊应用必须遵循其自身的设计数据。例如，在造船龙门起重机上，如果空载、半载和满载速度分别为 3 米/分钟、6 米/分钟和 9 米/分钟，而电机弱磁比无法达到额定速度的三倍，则满载运行速度可能低于额定速度。

以下讨论以集装箱岸桥和船舶卸船机为例，因为两者都对效率有很高的要求。起升机构的负载并非每次循环都能达到额定负载。对于集装箱岸桥而言，集装箱的重量通常在3至40吨之间，具体取决于集装箱内的货物。负载较重时，起升速度会降低；负载较轻时，可以提高起升速度，从而缩短设备的循环时间。

船舶卸船机的运行工况相对简单。在满舱口阶段，抓斗卸料通常接近满载。抓斗打开时，机构处于轻载状态，因此系统主要需要高低速运转。在清舱阶段，每次抓取的物料重量变化很大。在这种情况下，轻载高速运转可以显著缩短作业周期。

弱场速度控制原理

如图 1-1 所示，实线表示速度与功率的关系，虚线表示速度与输出扭矩的关系。

当电机从零速加速到额定转速 n_N 时，电机输出功率与转速成正比，而输出转矩保持在额定转矩。这个范围称为恒转矩特性范围。

当电机从额定转速 n_N 运转到最大转速 n_max 时，电机输出功率保持恒定为额定功率，而输出转矩与转速成反比。这个范围称为恒功率特性范围。

图 1-1 中的 S1、S3-60%、S3-40% 和 S3-25% 曲线与运动性能有关，仅作为示例显示。

当负载达到额定负载时，电机以低于额定转速的速度运行，并保持在恒转矩范围内。输出转矩保持恒定，而输出功率则取决于电机转速。

当负载低于额定负载时，电机可以进入弱磁控制范围，并以高于额定转速运行。在该恒功率范围内，输出功率保持恒定，而输出转矩则随着电机转速的增加而减小。

设计工作中，应仔细考虑电压极限特性曲线和机械转速极限。实际运行应与这些极限值保持合理的裕量。

弱磁曲线和负载重量检测

弱磁曲线可根据机械性能计算得出，通常由原始设备制造商 (OEM) 提供。获得弱磁曲线后，可在控制程序中预留一定裕量进行配置，例如 5%。

负载相关速度控制的前提是精确检测负载重量。在实际应用中，负载检测往往是难点之一。

方法一：利用称重传感器进行负载检测

在起升加速过程中，PLC程序根据称重传感器的模拟输出计算负载重量。然后，它根据负载重量和弱磁曲线计算电机转速参考值，并将该参考值发送给变频器，从而使电机以计算出的转速运行。

然而，称重传感器数据可能存在漂移，测量精度难以保证，这会带来较高的风险。如果计算出的弱磁速度不准确，速度可能过高，而提升电机的输出扭矩可能不足，从而导致失控事故，例如超速。

方法二：通过电机电流估算负载

为了解决称重传感器的精度问题，可以在PLC程序中实现一种常用的负载估算方法。利用起重机电机电流可以计算负载重量。在电机稳定运行状态下，电机输出转矩与负载重量成正比，而电机电流与输出转矩近似成正比。因此，可以利用电机电流来估算负载重量。

如图 1-2 所示，在加速过程中，电机输出扭矩包括四个部分，M_LOAD 与负载成正比。

电机电流A与负载T之间的比例系数K必须通过调试过程中的实际测量来确定：

T = K x A

测量方法如下：

• 将已知重量 T_LOAD 提升至悬空，然后从静止状态加速至基本速度或额定速度。
• 获取电机电流 A。电流采样必须在加速阶段进行，因为需要根据加速期间的负载重量计算弱磁转速。为提高数据精度，建议在加速过程中进行采样。例如，如果从零加速到基速的时间为 3 秒，则可以在运行 1.5 秒后开始采样。每 100 毫秒采样一次，共采集 5 个样本，并将这 5 个样本的平均值作为电机电流 A_M。
• 计算 K 值：K = T_LOAD / A_M
• 实际运行中，采用相同方法读取电流值A。然后根据公式T = K × A计算负载重量，并将结果与弱磁曲线结合，计算电机弱磁速度。

要点：

• 为了安全起见，如果电流采样失败或采样结果不确定，则应只允许电机以额定速度运行。
• 提升过程中计算出的磁场弱化速度也可作为下降时的参考。
• 每个工作循环结束后，应将弱磁转速重置为额定转速。只有在重新计算出有效的弱磁转速后，才能更新转速参考值。

西门子实施和改造说明

早期的西门子系统采用诸如T300之类的技术板，该技术板集成了弱磁调速功能。用户只需进行一些简单的应用程序开发和仔细的现场调试即可使用。T300安装在Masterdrive 6SE70电子盒内的CUVC板旁边，T300上插入了EPROM，程序存储在EPROM中。

西门子利用新型SINAMICS驱动系统，在SIMOTION平台上开发了SIMOCRANE起重机控制软件包。该软件包包含诸如弱磁调速等起重机技术程序。随着SIMOTION平台的逐步淘汰，SIMOCRANE被转移到CU320硬件平台，并仍然支持弱磁调速功能。

改造项目需要特别注意。T300 无法在 SINAMICS 系统中使用，因此其功能必须迁移到 PLC、CU320 或其他平台。否则，一台具备弱磁功能的起重机可能会被改造成一台只有高速和低速两种速度的起重机。

在理解了功能原理和实现方法之后，项目团队可以决定是自行开发该功能还是购买成熟的软件包。对于工程应用而言，不仅要了解功能的作用，还要理解其工作原理。

辛蒂

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