吊具電纜盤驅動方式比較
文章出處：本站 人氣：27192 發表時間：2019-03-23 12:52:39
電纜盤橋吊吊具控制系統主要由電氣系統和機械系統兩部分構成，通過這兩部分的相互配合來控制整個系統，達到主起升機構同步的目的。由于軟件編程靈活性高，電氣系統調整較為方便，同時可在定程度上彌補機械系統的不足，因此，吊具控制系統的改造重點般為電氣系統改造。吊具電纜卷盤驅動方式是吊具電氣控制的重要部分，本文介紹目前廣泛使用的磁滯變頻驅動方式和全變頻閉環控制驅動方式，并比較其缺點，為吊具電纜卷盤驅動方式的選擇提供依據。
1 吊具電纜卷盤磁滯變頻驅動方式
1.1 磁滯變頻驅動方式的工作原理
橋吊吊具電纜卷盤屬于垂直移動供電，磁滯變頻驅動方式的工作原理如圖1所示。傳動機構由2個磁滯動力頭組成，磁滯動力頭由磁滯聯軸器和變頻電機構成，磁滯聯軸器的扭矩根據吊具的提升高度、速度、加速時間和電纜自重等參數確定。吊具電纜卷盤控制系統用于控制吊具電纜隨主起升機構升降，并采集主起升機構的速度和高度信號。電纜卷盤控制系統將主起升機構高度信號轉化為吊具電纜在電纜卷盤上的位置，以確定電纜的運動半徑，進而將起升線速度轉化為電纜卷盤的角轉速，從而決定電纜卷盤驅動電機的轉速。磁滯變頻驅動方式的電機連接機構示意如圖2所示。
磁滯聯軸器的工作原理如圖3所示。主動盤（感應盤）和從動盤（永磁盤）通過磁耦合連接， 當主動盤由電機帶動旋轉時，相對磁錯開個角度，磁力產生扭曲，磁系統位能升高，產生切力，牽引從動盤轉動。當主動盤與從動盤不同步時，磁力線被切割，產生大量熱能。磁滯聯軸器傳遞的扭矩越大，主、從動磁體的剩余磁感應強度越大，兩盤的轉速滑差越大，磁滯聯軸器傳遞的熱量越大。當磁滯聯軸器的力矩大于時，由于傳遞扭矩大，產生的熱量大，因此磁滯聯軸器使用壽命大幅縮短。
1.2 磁滯變頻驅動方式的運動狀態
1.2.1 主起升機構上升
主系統控制合上、起升手柄向上，此時電纜卷盤先收到起升手柄命令，以20%的電機額定轉速進行正轉，由于磁滯聯軸器的力矩建立需要定時間，為保證跟隨效果，其在收到起升手柄命令后立即反饋電纜卷盤運行信號給主系統，主系統在收到電纜卷盤運行信號后才允許起升運行（速度勢能）。這樣在啟動時電纜卷盤能與主起升機構較好地實現同步，電纜跟隨效果較為理想。當主起升機構速度大于1.5%的大速度時，電纜卷盤會根據主起升機構的實時起升速度和高度，確定電機所需轉速。實際給定轉速比電機所需轉速快，使得主動盤與從動盤之間產生滑差，從而確保兩盤間具有定扭矩，使電纜卷盤始終保持張力以收取電纜。當起升手柄回到零位時，電纜卷盤電機以20%的電機額定轉速正轉，以利于快速響應及避免制動器頻繁抱閘；若內主起升機構無任何動作，則電纜卷盤停止運行。
1.2.2 主起升機構下降
主系統控制合上、起升手柄向下，此時主起升機構下降。若主起升機構下降是在起升手柄上升停止后的延時運行內，則當主起升機構下降速度不大于23%的大速度時，電機仍保持正轉運行。若主系統控制合上后主起升機構次動作是下降運動或起升手柄上升停止后的延時已到，則：當主起升機構下降速度不大于23%的大速度時，電纜卷盤電機不運轉，電機制動器抱閘，相當于實際給定轉速比電機所需轉速慢，使得主動盤與從動盤之間產生滑差，從而確保兩盤間具有定扭矩，電纜下行時有阻力且保持張緊；當主起升機構下降速度大于23%的大速度時，電纜卷盤控制系統根據主起升機構的實時下降速度，確定電機所需轉速，同樣保證實際給定轉速比電機所需轉速慢，以保持電纜張緊。
1.2.3 主起升機構停止
主系統控制關斷，主起升機構停止。雖然兩盤間的滑差為零，但主動盤在從動盤的磁化作用下產生與向相反的磁場，異性相吸的磁力確保電纜不會因自重、風載而下墜。
1.3 磁滯變頻驅動方式的缺點
1.3.1 主要點
（1）當施加力矩大于磁滯聯軸器設定的扭矩值時，主動盤與從動盤之間會打滑，這在保護電纜方面具有其他驅動方式不可比擬的勢。
（2） 磁滯變頻驅動方式控制速度采用的是模糊控制概念，其對電纜卷盤的電控調試要求較低，對維護人員技術專業的要求也較低。
1.3.2 主要缺點
（1）對于加速度大于/s2的吊具電纜卷盤，由于磁滯聯軸器的“軟特性”，在其高速下降起升切換過程中，電纜跟隨效果較差。
（2）大扭矩磁滯聯軸器（T≥24 N m）由于傳遞扭矩大，產生的熱量大，在維護保養不當的情況下，潤滑脂易干涸、碳化，使得軸承得不到良好潤滑而損壞，從而導致磁滯聯軸器損壞。
（3）電機采用B5安裝方式，旦磁滯聯軸器損壞，易導致電機損壞。
（4）磁滯聯軸器轉動慣量大，電機額外消耗功率較大。
（5）磁滯聯軸器的損壞具有不可預見性，給碼頭正常生產帶來較大的不確定性。
2 吊具電纜卷盤全變頻閉環控制驅動方式
由于吊具電纜卷盤磁滯變驅驅動方式在傳遞大扭矩時具有缺陷，因此將其改造成目前較為先進的驅動方式，即全變頻閉環控制驅動方式。
2.1 全變頻閉環控制驅動方式的工作原理
全變頻閉環控制驅動方式的工作原理如圖4所示，其采用速度控制、力矩限幅閉環控制模式，主要由變頻調速電機、制動器、減速器、卷盤、吊具集電器、編碼器、電控系統等組成。變頻調速電機根據PLC收集的吊具起升高度、速度等信息，經過自動計算，輸出扭矩和轉速，同時通過減速器減速，驅動卷盤運行。在運行過程中，系統不斷檢測吊具電纜的提升速度和力矩，并實時自動修正，形成閉環控制，確保電纜速度始終準確地跟隨吊具實際速度，并使電纜在合理范圍內受力。全變頻閉環控制驅動方式的電機連接機構示意如圖5所示。
2.2 全變頻閉環控制驅動方式的運動狀態
2.2.1 吊具起升，電纜卷繞 吊具上升時，制動器（常閉型）得電打開，變頻調速電機正轉，通過彈性聯軸器驅動電纜卷盤轉動卷繞電纜。PLC根據收集的吊具起升速度、高度信息自動計算，給定電機轉速，并在運行過程中，不斷檢測和修正吊具變頻電機的轉速，以保證吊具電纜跟隨良好。若發生掛艙事故，則當吊具上架緩沖器行程達到大時觸發信號開關，吊具實施緊停，從而保護電纜不被拉斷。
2.2.2 吊具下降，電纜放纜
吊具下降時，制動器得電釋放，變頻調速電機反轉。PLC根據收集的吊具運行速度和高度等信息自動計算，給定電機反轉轉速；同時，變頻電機保持定的反轉扭矩，以保證電纜在下降過程中張緊。
2.2.3 吊具停止，電機停止運行
主系統控制關斷，主起升機構停止，制動器不通電，處于制動狀態，確保吊具電纜不會因自重、風載而下墜。
2.3 全變頻閉環控制驅動方式的缺點
2.3.1 主要點
（1）在全變頻閉環控制驅動方式下，吊具電纜卷盤克服磁滯聯軸器的“軟特性”，系統響應速度加快，電纜跟隨效果較好。
（2）電纜卷盤控制采用速度控制與力矩限幅閉環控制相結合的技術，結合吊具上架緩沖器的過緊限位開關，保證電纜在任何工況下的張力均不超過其許用拉力。
（3）電機采用單臺臥式安裝變頻調速電機，傳動系統轉動慣量小，其應用場合不受電纜自重、起升高度、吊具加速度等的限制。
（4）電機采用彈性聯軸器與減速器連接，保養工作量小、維護簡單，配件價格也較低。
（5）電纜保護：限制電機給定電纜卷盤的力矩，確保電纜張力小于其許用拉力；吊具上架緩沖器的安裝有過緊限位開關，旦吊具電纜卷盤收、放纜速度與吊具速度不同步而造成緩沖器行程達到大值，緩沖器過緊限位立即觸發，電纜過緊信號發出，整個系統做出緊停動作從而保護電纜。
2.3.2 主要缺點
3 磁滯變頻驅動方式與全變頻閉環控制
驅動方式的比較
磁滯變頻驅動方式與全變頻閉環控制驅動方式的比較見表1。
4 結束語
本文通過介紹橋吊吊具電纜盤磁滯變頻驅動方式和全變頻閉環控制驅動方式的工作原理和運動狀態，并比較兩種驅動方式的缺點，認為選用全變頻閉環控制驅動方式更適合目前橋吊作業要求，為橋吊吊具控制系統設計打下基礎。
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