（机械工程专业论文）日本三井rtg电控系统的改造工程研究.pdf

上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造t 覆 摘要 近年来，随着世界工业水平的不断提高，自动控制领域的发展取得了长足的进步， 有效地促进了集装箱起重机电控技术的发展。作为电气控制技术在轮胎式集装箱门式 起重机( r t g ) 中的应用研究项目，本文对所涉及的理论问题进行了深入讨论，探索 这些理论在厦门港东渡分公司r t g 旧机改造项目中的实践应用。 本文首先阐述了论文的项目背景，目前国内外电控系统研究的现状，以及本文的 研究内容和意义。文章分析了三井r i g 旧机存在的问题，针对这些问题提出了电控改 造的目标。文中选用了直流调速的电气改造方案，虽然变频交流调速优于直流调速， 但经过对r t g 电气改造的各方面的比较分析和论证，文章得出了采用全数字直流调速 驱动器的直流调速系统具有足够的精度和可靠性。文中分析了控制的要求，确定由 - i e n t o ri i 型直流调速驱动器与p l c 组成电气控制系统的主要部分；并进行了各机构的 调速和传动系统的设计。完善后的电气系统，不仅具有基本的电控功能，而且实现与 工业计算机等智能设备之间的通信，在此基础上对r t g 整机设计了智能保护控制系统 以及监控系统。由于工程的最终运行是面向堆场一线的操作人员，因此论文比较详细 地描述了项目实施的调试步骤。 改造后的r t g ，解决了旧机故障频繁，影响设备正常运行，机械效率低等问题。 新技术的应用与设备的改造，使r t g 的各种性能指标大幅度提高。这次对东渡分公司 4 台r t g 的1 台实施的成功改造，为另外3 台的改造积累了重要的经验。目前，我国 许多港口都面临设备改造这一问题，既要保质保产，提高设备水平，又要考虑现场施 工条件，节约投资，尽快恢复生产。此次工程中的改造思路也许是一次好的尝试。 关键词：m - g ；全数字直流调速驱动器；p l c ；监控系统 l ：海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造t 程 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 。a l o n gw i t ht h ei m p r o v e m e n to fw o r l d w i d ei n d u s t r y , a u t oc o n t r o l f i e i da l s oh a sm a d eag r e a tp r o g r e s s 。a n dt h u sh a sp r o m o t e dt h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e si nc o n t a i n e rc r a n e s a sa na p p l i c a t i o nr e s e a r c hf o rt h e e l e c t r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u e s ，w h i c ha r ea p p l i e di n 町gt h i sa r t i c l eh a sg i v e nd e e p i n v e s t i g a t i o n st ot h ei n v o l v e dt h e o r e t i c a li s s u e sa n de x p l o r e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e s e t h e o r i e sw h i c ha r eu s e di nt h et r a n s f o r m a t i o np r o j e c to fe x i s t i n gr t g so w n e db y x i a m e np o r td o n g d uc o m p a n y 开r s t mt h i sa r t i c l ed e s c r i b e s t h ep r o j e c tb a c k g r o u n d ，t h eo v e r v i e wo ft h e r e s e a r c ho nc u r r e n te l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mi nd o m e s t i ca n da b r o a d 。a n dt h e c o n t e n ta n ds i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e r i td i s c u s s e st h ew o r k i n gp r o b l e m so fm i t s u i m - qd e p e n d i n go nw h i c ht h ep a p e rg i v e st h ee l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o ng o a i a l t h o u g ha cs p e e dr e g u l a t i o nc o n t r o l l e db yf r e q u e n c yi sb e t t e rt h a nd cs p e e d r e g u l a t i o n ，d cs p e e dr e g u l a t i o ni s u s e da st h es p e e dr e g u l a t i o nf o re l e c t r i c t r a n s f o r m e do fg o v e r n o r i th a sc a r r i e do na b u n d a n ta n a l y s i st oc o m p a r ea n dp r o v e t ot h ep r e c i s i o na n dt h er e l i a b i l i t yi nt h ef e a s i b i l i t yo fe l e c t r i ct r a n s f o r m a t i o n w h i c h u s e sd i g i t a ld cs p e e da d j u s t o r a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lr e q u e s t , m e n t o r d i g i t a l d c s p e e da d j u s t o ra n dp l cm a k eu pt h em a i np a r to ft h ee l e c t d cs y s t e m 。w h i c hi s d e s i g n e di nd e t a i l si nt h ep a p e r t h ei m p r o v e ds y s t e m ，n o to n l yh a st h eb a s i c f u n c t i o n sn e e d e d 。b u ta l s oh a st h ec o n n e c t i o n sb e t w e e ni n t e l l i g e n td e v i c e ss u c ha s i n d u s t r yc o m p u t e r a n dt h ei n t e l l i g e n tp r o t e c t i o nc o n t r o ls y s t e ma n dt h em o n i t o r i n g s y s t e ma r ed e s i g n e df o rt h ew h o l er r gb e c a u s et h ef i n a lo p e r a t i o no ft h es y s t e m i sf a c e dt ot h ep o r tw o r k e r , t h e r ei st h i st h e m ead i s c u s s i o ni nd e t a i lo r h o wt oc a r r y o no p e r a t i n gm o d e st od e b u ga c t u a l j y i ts o l v e dt h a tf r e q u e n ti nt r o u b l eo na n di n f l u e n c ee q u i p m e n tn o r m a lo p e r a t i o n 。 t h eq u e s t i o no fl o wg r a d eo fm e c h a n i c a le f f i c i e n c ys i n c em a n yy e a r so ft h ep a s t , t h r o u g h t h et r a n s f o r m a t i o n 1 1 1 ea p p l i c a t i o no ft h et e c h n i q u e sa n dt h e t r a n s f o r m a t i o ng e t sg r e a ti m p r o v e m e n to nv a r i o u sp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h e 眦 t h eo b t a i n e de x p e r i e n c eo fs u c c e s s f u it r a n s f o r m a t i o no no n eo f4r t g sj sh e l p f u l t ot h ei m p r o v e m e n t st oo t h e rt h r e e n o w , m a n yp o n si nc h i n aa r ef a c i n gp r o b l e m s a b o u te q u i p m e n t st r a n s f o r m a t i o n ，w h i l ec o n s i d e r i n gq u a l i t y , q u a n t i t y , i m p r o v e m e n t 。 2 上海海事大学顼t 学位论文：日本_ 三井i c r g 电控系统的改造工程 c o n d i t i o n ，m o n e ya n dt i m e m a y b et h e r ea r es o m eg o o ds p o t si nt h i sp a p e r y a ob a o y a n g ( m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rs h ij i a n m i na n dh u a n gs h u m i n k e y w o r d s ：阿r gd i g i t a ld cs p e e da d j u s t o r , p l c 。m o n i t o r i n gs y s t e m 3 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或者其他机构 已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献 均已在论文中作了明确的声明并表示了感谢。 作者签名d 捆2 蚺期：皂犁1 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布 论文的全部和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论 文。保密的论文在解密后遵守此规定。 上海海事大学硕 学位论芷：l i 奉一抖r t g 电拧系统的改造工程 1 1 项目背景 1 绪论 港口是现代综合运输体系的重要组成部分，又是国家最重要的基础设施之一。随 着世界经济的高速发展和中国社会主义市场经济体制的深入，港口企业所面临的市场 竞争日趋激烈，竞争与机遇并存，如何适应市场，加强管理，深化改革，提高效益， 已成为港口经营管理者面临的艰巨任务。港口装卸设备不仅仅是组织生产的重要手 段，而且是商品，是重要的物资资源、资产、资本，在现代港口企业管理过程中，要 扩展和深化对设备属性的认识，运用科学理念和先进的技术手段，由计划经济体制下 保证设备正常运行的单一功能，转变为既要保证装卸生产的正常进行，又要通过企业 的挖潜、改造、充实和提高，改善提高设备的技术性能，达到优化资产组合，降低成 本，从而提高港口企业市场竞争力的双重功能。港口装卸设备的改进，在一定程度上 对于带动港口经济发展以及港口设备结构调整和效益增长方式的转变具有重要意义。 同时，对加快我国港口现代化建设的步伐，促进整个国民经济的增长也具有十分重要 的意义。科技的进步带来生产力的发展，港口设备管理必须适应当前形势，以经济效 益为中心，转变观念，挖掘潜力，发挥港口设备在港口生产中的主导作用。 厦门港东渡港区期工程中的海天集装箱码头错错泊位于1 9 9 3 年初步建成。 当时，厦门港泊位紧张，船舶压港现象较为严重。为了缓解泊位不足，并让投资早日 见到效益，海天码头于1 9 9 3 年4 月2 8 日在岸桥、龙门吊等设备尚未到位的情况下， 利用集装箱船上的吊机和驳吊配合几台跨运车进行集装箱装卸作业，开始了试投产， 创下当年吞吐6 千多t e u 的佳绩，而当时的厦门港集装箱年吞吐量只有1 5 万t e u 。 随着订购的集装箱专用设备陆续到货，海天码头于1 9 9 4 年1 2 月正式投产。紧接着建 设的厦门港东渡港区期工程海天码头错、9 帮1 1 誊泊位也于2 0 0 2 年竣工投入使用。 虽然厦门港的内贸集装箱的起步较早，但直至2 0 0 1 年才有了较快的发展，有了 专业化的码头，至此，海天码头共拥有错1 1 静共7 个泊位，1 5 1 0 m 的岸线，3 3 万 m 2 的堆场，成为厦门港最大的集装箱专用码头。但是堆场作业机械仅局限于跨运车 和正面吊，且设备老化、故障率高、稳定性差、配件采购困难等，作业工艺的落后已 直接制约到装卸船和提卸箱效率，制约了内贸箱的发展，因此，生产工艺的转型已成 必然。在集团大力支持下，调拨给东渡分公司4 台轮胎式集装箱门式起重机( r t o ) 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电挣系统的改造1 = 程 充实内贸箱的操作。 轮胎式集装箱门式起重机是起重机行走部分采用轮胎支承的集装箱场地作业枫 械。它具有整机结构合理、操纵方便、感应灵敏，具有运转平稳、工作可靠、速度快、 维修方便等特点，是国内外集装箱专业码头堆场的主力设备，可以完成堆场集装箱的 装卸、堆码作业。轮胎式集装箱门式起重机既具备轨道式集装箱门式起重机限m 回 适合大堆场作业、高作业效率的性能，又具备轮胎式流动机械的机动性，可以大范围 灵活调动，不但空间利用率和生产率高，而且全堆场机动。 1 2 现代电气自动化系统发展 2 0 世纪9 0 年代以前，交流绕线式异步电动机转子串电阻调速这一传统方案在港 口轮胎式集装箱门式起重机上应用最广泛。由于其方案具有线路简单、成本低、投资 省、易于维修等优点，加之一般起重机机械对传动控制要求不高，因而广为采用。但 它的缺点也很明显：调速性能差，无低速下降，不能长期低速运行，同时能量指标较 差。 继电器接触器控制系统也称为开关控制系统，由于其控制过程较为直观、维修 人员易于掌握、初期投资相对较小，目前在国内一些中、小型港口的轮胎式集装箱门 式起重机中仍在采用。但由于它能量指标差、设备体积大、元件种类多、元件之间连 线多、时间继电器定值整定困难或不准确、更改控制逻辑困难，在大型电气控制系统 上目前已很少采用 直流电动机具有良好的调速性能，可以在很宽的范围平滑调速。目前为止，直流 电动机仍在一些轮胎式集装箱门式起重机上应用。在2 0 世纪踟年代，直流调速系统 中用的最多的是晶f 霸管一电动机( v m ) 调速系统。此系统用在r t g 上通常采用双 闭环可逆直流调速方式。随着计算机技术的发展和开发，一种全新的数字直流传动装 置闪亮登场。该装置本身带有参数设定单元，不需要其他的任何附加设备即可完成参 数的设定。所有的控制、调节、监视及附加功能都由微处理器来实现，可选择给定值 为数字量或模拟量。它将原来的晶闸管一电动机调速系统实现了数字集成化控制。 进入2 0 世纪年代电气自动化有了突破性的进展，发展了交流电动机调速用的 变频器它是一种变频交换器，可将交流电网电源恒定频率变成任意频率的交流电。 从而作为交流电动机的电源，实现电动机的无级调速控制。变频器应用在两方面：第 一是节能，利用变频器实现调速，电机可根据要求工作在不同的速度而不是最大速度， 从而使得电机节能运行，以风机和泵类机械的节能效果为最显著。第二是控制，利用 变频器实现电动机的快速、连续、精确的转矩和速度控制。此外变频器还像直流调速 控制系统一样，进行电动机的转矩和速度的控制。 卜海海事大学硕士学位论文；日本三井k r g 电控系统的改造工程 可编成程序控制( p l c ) 其是为了改进继电器控制系统而产生和发展起来的。为 了寻求一种新的控制装置来取代老式的继电器控制系统，使电气控制系统的工作更可 靠、更容易维修、更能适应经常变动的工艺条件，1 9 6 9 年研制出了世界上第一台可 编程序控制器。p l c 控制系统的控制对象可与常规控制系统的控制对象相同，即它们 有着相同的一次回路( 主回路) 。由于p l c 控制系统元件之间的联锁逻辑关系由p l c 软件完成，因而减少了大量的接线工作，彻底取代了时间继电器和中间继电器( 作为 保护p l c 输出点的中间继电器除外) 1 2 1p l c 控制的直流调速系统 直流调速系统在集装箱起重机上应用有着非常悠久的历史。中国目前使用的早期 岸边集装箱起重机均采用直流调速系统，这些系统不仅在国产的岸边集装箱起重机上 有使用，在进口的岸边集装箱起重机上也均采用直流调速系统进行控制；直流调速系 统以它成熟的控制理论和经反复实践证实的工艺布置，实现了系统的可靠运行。针对 集装箱负荷不同，直流调速系统可以通过减小电动机磁场电流，达到恒功率运行提高 升降速度，使整机装卸效率提高。 直流调速系统在起重机上的供电方式一般有两种，早期( 2 0 世纪7 0 年代前) 的 直流系统由于电力电子器件尚未成熟，直流系统的调速采用机组传动方式进行控制， 因此也叫做“发电机一电动机系统”( 即c 广- ms y s t e m ) ，随着晶闸管等电力电子器件 的稳定性和可靠性提高，开始采用晶闸管整流的方式，取代了g m ，该方式的成本 低，维护工作量小。 随着电子技术的进一步发展，2 0 世纪8 0 年代末，单片微处理器的出现和应用， 使直流系统的控制摆脱了原来的模拟控制方式，可以通过单片微处理器实现传动装置 的运算放大功能、比较功能等等，使直流调速系统称为数字电路与电力电子系统的结 晶。全数字直流调速装置的普及发展，将直流调速控制系统拖动进入了一个新的时期。 它赋予了直流调速器完善的功能，不仅能实现基本的速度调节，而且能与其他设备进 行通信联系，组成通讯网络。因此，现代直流调速器是直流调速系统的最完善系统。 它可以与各种p l c 联网通信实现多种功能。目前，国外主要电气公司如瑞典的a b b 公司、德国的西门子公司、a e g 公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的g e 公 司，西屋公司等，均已开发出全数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模版 化的应用产品供选用。这些装置给出丰富的控制软件，供用户重新组态和整定参数。 应用这些装置，可以使系统性能得到进一步的提高。 上海海事大学硕士学位论文：e i 本三井i i r g 电控系统的改造工程 1 3 研究内容及意义 本论文研究的东渡分公司的1 - 4 号轮胎式集装箱门式起重机( r t g ) ，是由日本 三井造船株式会社于1 9 7 1 年5 月制造，并于1 9 9 3 年6 月作为“二手机”购入我国码 头一线使用，该机已服役2 0 年以上，存在机械状况不佳、电器、控制、动力和机构 等系统趋于老化，故障率高、稳定性差、配件采购困难等状况。原机采用了老式的 g - m 控制系统，加上某些元器件早已停止生产，所以必须对这四台r t g 进行改造， 才能使之重新投入工作 科学地改造研究内容并提出解决方案是十分关键的。其主要内容包括以下几个方 面： 一 1 ) r t g 电控系统总体改造方案的研究 为了使改造后的r t g 能够安全、可靠、高效地工作，首先需要比较分析不同的 改造方法，针对三井r t g 的情况研究出一套控制性能优良、经济的电控系统总体改 造方案来达到改造要求。 2 ) 全数字直流调速系统在改造中的应用研究 虽然交流变频技术是更为先进的技术，但是直流调速也具有良好的机械特性，能 在大范围内平滑调速、起动和正反转，而且对原有的r t g 进行技术改造，可以最充 分的利用现有的设备，以较少的投入获得较高的产出，也能使原有r t g 的工作效率、 工作性能、现代化程度都有一个明显的提高。 3 ) 电控保护和监控技术在r t g 改造中的应用。 随着港口设备管理逐步高效率、自动化发展，对起重机的控制要求越来越高，安 全的电控保护系统和优秀的监控系统也起着至关重要的决定作用。 i 二海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造丁程 2 1 三井f n g 设备状况 2 电气控制改造方案研究 轮胎式集装箱门式起重机( 1 盯g ) 是起重机行走部分采用轮胎支承的集装箱场地 作业机械。r t g 在集装箱码头堆场作业，主要完成集装箱的装卸或在堆场堆码、翻 或倒集装箱。 东渡分公司1 - 4 号r t g ，由日本三井造船株式会社于1 9 7 1 年5 月制造，作为“二 手机”购入使用，已服役2 0 年以上，存在机械状况不佳、电器、控制、动力和机构 等系统趋于老化，故障率高、稳定性差、配件采购困难等状况。经对对4 台r t g 的 金属结构的检测结果表明，主结构的整体状态良好，具有继续利用的价值。若作适当 的改造，完全有可能使其恢复正常、稳定使用并提高其性能。在完善设备的基本性能 基础上，对设备进行最为经济的改造。本论文是对其中一台r t g 进行了改造，是整 批机器改造工程的重要尝试。 图2 1 三井r t g 整机图 e 海海事大学硕b 学位论文：日奉三井r t b 电控系统的改造工程 该盯g 的主要技术参数如下： 跨距m 基距m 吊具下起重量t 起升高度( 地面上、吊具下) m 轮压t 额定起重量为t 载荷( 箱重) t 2 2r t g 机构特点 2 3 4 7 7 6 3 5 1 1 5 6 ( 堆三过四) 。 2 0 3 0 5 2 伊一2 4 r t g 的基本机构类别有以下两种： ( 1 ) 起升机构即重物上升或下降的机构，这是f f r g 的基本功能。 ( 2 ) 运行机构即r t g 平行移动的机构，它分为大车行走机构和小车行走机构。 r t g 的各类机构都属于恒转矩负载。此外，不同的机构还具有各自的特点： ( 1 ) 起升机构 由于重物在空间具有位能，因此，是位能性负载。其特点是：重物上升时，电动 机克服各种阻力( 包括重物的重力、摩擦阻力等) 而做功，属于阻力负载：重物下降 时，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力( 位能) ，因此，当重物的重力大于 传动机构的摩擦阻力时，重物本身的重力( 位能) 是下降的动力，电动机成为了能量 的接受者，故属于动力负载。但当重物的重力下于传动机构的摩擦阻力时，重物仍须 电动机拖动下降，仍属于阻力负载。 ( 2 ) 运行机构 一般是阻力负载，但有时在较大的风力作用下成为动力负载。 2 3 旧机存在的问题及改造要求 从原r t g 的金属结构的检测来看，需对机械传动系统进行大修或局部维修，加 强金属结构。由于r t g 的测试动应力较大，应严格限制大车和小车的起、制动时间， 降低动载应力，延长寿命；起、制动时间越短，动应力越大，操作应尽量平稳，尽量 使大车减少晃动。 原机采用的发电机一电动机调速方式，既g m 系统，是通过踩油门踏板改变柴 油机转速来达到电动机调速目的。其操作不但繁琐，而且司机的劳动强度高。原机的 各机构电机由接触器控制，接触器切断直流电源时易引起拉弧，触电烧结，动作失灵， 上海海事大学硕士学位论文：几本三井r t g 电控系统的改造工程 使用寿命不足。另外，接触器分断时，直流电机会产生很强的反电势，很易将电机换 向器拉毛，严重影响电动机寿命原机型的各机构带载制动时制动器吸收大量能量， 制动元件易磨损。不当操作时制动冲击很大，严重时影响机构寿命。而且控制电路电 路复杂、接点多、电流大，主令元件会因电拉弧而烧坏。 ( 一)改造基本要求 r t g 电控系统改造的基本要求是由r t g 的工艺特点所决定的。 ( 1 ) 堆场流动作业，只能自带发电机组。 ( 2 ) 带有集装箱专用吊具，能方便地挂脱集装箱。 ( 3 ) 起重机必须在规定的车道上行驶，不能有较大偏斜，以免碰撞集装箱。 ( 二)电气设备配套 改造中，对r t g 电气设备配套也有要求： ( 1 ) 设备具有良好的气候适应性，能适应港口潮湿、盐雾、风、霜、雨、雪、温差大 的环境。 ( 2 ) 机械操作频繁，且支承在轮胎上，振动、摇摆幅度较大电气设备必须固结牢靠， 耐振性能好。 ( 3 ) 频繁起制动，对发电机的冲击负荷很大，柴油机一发电机组的电压降落与电压恢 复时间应满足相应规范。 ( 4 ) 电动机、开关、调速装置有足够的过载能力和高频通率，并能适应供电电压较大 的波动。 ( 5 ) 设备安全可靠，少维修，减少停机时间。 同时，r t g 各运动机构要求电气控制系统均按照一定的逻辑关系，完成操作动 作的顺序、连锁等功能。 2 4f r r g 可选改造方法 第一种：p l c 控制的直流调速控制方式 p l c 控制的晶闸管一电动机调速系统，是指交流发电机输出经过两套晶 i 莉管装置，一套供起升电动机或大车电动机，一套供小车电动机、辅助传动与控制， 照明则直接引到交流发电机。 第二种：p l j c 控制的变频调速控制方式 p l c 控制的变频调速系统，是指起升机构与大车机构的其中一台电动机共用一台 变频器。大车机构的另一台电动机用另一台变频器，小车机构用一台变频器。 上海海事大学硕士学位论文：i 奉川r t g 电控系统的改造工程 2 5r r g 电控改造方案 ( 一)改造原则 ( 1 ) 改造与生产力发展水平相适应 港机设备是衡量港口装卸能力的主要尺度，其改造必须与港口企业的生产力发展 水平相适应。 ( 2 ) 改造与可提供资金、物资相适应 改造与可提供资金、物资相适应，必须进行技术经济可行性分析，为投资决策提 供依据。 ( 3 ) 经济效益 通过技术经济分析，从比较中选择正对性强、见效快、经济上最合理、投资奉献 最小的方案。 ( 二)改造方案确定 自从变频技术的出现，交流调速系统一直冲击着直流调速，但在此次r t g 的改 造，由于场地、工期、资金等因素，我们选用第一种方法。p l c 控制的直流调速控制 方式相比p l c 控制的变频调速控制方式，投资省，周期短，见效快。p l c 控制的直 流调速控制方式具有体积小、重量轻、静止无噪音、动态响应快标准、系列产品的 开发，大大的降低了设备成本，维修方便。唯一不足的是，低速时交流侧的c o s 妒和 效率较低，波形畸变严重。但是低速运行时间短暂，只要采取有力措施抑制高次谐波， 这些都可以得到改善。而且，从调速技术来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛 发展，但是直流调速的一些理论仍然是交流调速的基础。以微处理器作为核心部件的 全数字直流调速驱动器具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多种功能。 考虑到r t g 的大车行走与作业不能同时工作，设计大车行走和起升机构共用1 台直流调速器，通过切换电路，分别控制对应的机构；小车单独使用1 台直流调速器； 整机共用2 台直流调速器。 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改殖1 程 3 全数字直流调速系统设计 3 1 全数字直流调速驱动器 直流调速系统的种类很多，按不同的方式可分为直流单闭环调速系统和直流多闭 调速系统，可逆调速系统和不可逆调速系统，有静差和无静差调速系统以及模拟调速 系统和数字调速系统等。 改造方案中选用的全数字化直流调速驱动器属于无级调速又称连续调速，是指电 动机的转速可以平滑地调节。无级调速时转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速 自动化。 全数字化直流调速驱动器采用了最新的计算机技术和数据处理技术，集成度高， 硬件结构简单，驱动器运行的可靠性高。该驱动器可以方便地对外部或内部信息实现 数字滤波，提高了系统的抗干扰能力。全数字化直流调速驱动器的控制方案是依靠软 件来实现的，控制器由可编成的功能模块组成，其结构配置简单，参数调整方便，内 部参数都是用连续的数据来设定的，调试时各种内部参数都可以连续地根据需要改变 数值，直到获得理想的控制性能为止。控制器的多种形式的存储器，其容量可以不断 增大，能够存储大量的实时数据，实现整个系统的监控保护、报警显示、波形分析、 故障诊断及故障处理等多种功能。 全数字化直流调速驱动器还具有很强的通信功能。不仅可与上一级计算机通信， 而且与p l c 通过局域网进行快速的数据交换，构成分布式计算机控制系统，实现操 作过程的全局自动化。 目前生产数字化直流驱动器的厂家比较多，常见的有英国欧陆公司、英国c t 公 司、德国西门子公司、日本衡河公司等生产的产品，考虑到实际的生产条件，满足体 积小、体重轻、静止无噪声、动态响应快等要求，最终选用英国c t 公司生产的 m e n t o r0 型全数字化直流驱动器 m e n t o r0 是具有当代水平的全微机化工业用d c 电动机调速驱动器，输出电流 范围2 5 1 8 5 0 a 。m e n t o ri i 具有控制、监控、保护和串行通讯的功能，直流调速是 控制电枢的端电压，从而控制送入电动机的电流。m e n t o rl l 直流调速装置是一个 电枢可逆的逻辑无环双闭环控制系统，电流环为内环，速度环为外环。直流电供给他 激直流电动机的电枢和磁场时，该装置借助于电枢电流反向可在四个象限内运行，电 上海海事大学硕士学位论文：t l 奉三片r t g 电控系统的改遗工程 动机的调速是无级且分为两个区域，低于额定转速采用恒力矩方式，高于额定转速采 用弱磁升速( 即恒功率调速) 。 图3 1c t m e n t o ri i 直流驱动器 m e n t o r 直流调速驱动器具有以下特点： ( 一)电气特点： 1 ) 速度给定：一l o v - + 1 0 v 或0 ，1 0 v ；4 ，2 0 m a 或0 - 1 0 v ；2 0 4 m a 或0 1 0 v ；0 2 0 m a 或0 1 0 v 。码盘数字输入或内部产生的数字给定 2 ) 速度反馈：电机电压反馈；测速发电机；码盘。 3 ) 控制：所有模拟输入用户可配置：p i d 速度还算法；允许码盘输入，能实现位置 控制；主板上允许测速机电压范围调整；利用磁场控制模块可进行弱磁控制；相序及 缺相控制；软件实现电流自适应算法；菜单驱动的参数结构。 4 ) 较高的启动转矩。实现零速抱闸，以减少机械振动与磨损； 5 ) 在恒功率时有较大的调速范围。 ( 二)结构工艺特点： 1 ) 体积小，重量轻，易于实现机、电一体化； 2 ) 结构紧凑，灵活，布局合理，便于维修与调整； 3 ) 装置的通风机噪声小，风量大，借助机箱和散热器构成一个畅通的风道，可控硅 散热条件良好，充分利用了可控硅元件的容量。 上海海事大学硕士学位论文： i 奉- 三什r t g 电控系统的改造工程 3 2 制动器的选型 原机上采用的电磁制动器，由于直流磁场控制推杆施加制动力矩导致磁滞影响动 作、磁场断电形成反电势浪涌电压冲击系统稳定以及电磁制动时强大的冲击力对金属 结构的影响，新系统设计选用液压块式制动器替换原有制动器。 制动器的选用： 吊具下起升高度h l 。= 1 5 2 4 0 m m 吊具下起重量p = - 3 0 5 0 0 k g 吊具及吊具上架重量o = 9 5 0 0 k g 小车行程l = 1 8 9 7 0 m m 满载起升速度v = 1 3 7 m m i n 空吊具起升速度 v = 2 7 4m m i n 起升额定载荷时加减速时间t b = 1 5 s e c 起升空吊具时加减速时间t o = 3 s e c 起升机构机械传动效率q = 0 9 杭轮倍率i 。= 2 起升状级别系数b 产o 6 动载冲击系数巾产1 1 7 1 起升减速器的传动比i h = 6 9 2 3 制动轮直径d c = 7 0 0 m m 单套制动器制动力矩安全系数不小于1 5 ， 即k b r a k e = 1 5 ( p + q ) ( g + v h t h 一1 ) d o l i m q u i e t = 1 8 3 8 1 0 3 n m i s i h m b r a k e = k b r a k e * m q u i e t = 2 7 5 8 1 0 3n m 选用制动器型号：y w b 6 3 0 - 1 2 5 0 或y w b 5 0 0 - 2 0 0 0 选择1 i b 5 0 0 2 0 0 0 制动盘直径：4 6 3 0 或中5 0 0 ，选择4 5 0 0 设定扭矩 m r = - 2 8 0 0n m m r n b r a k e = 1 5 2 3m q u i e t 满足1 5 倍制动力矩的要求，选择调整制动力矩为3 5 0 0n m 。 3 3r t g 调速系统设计 速度调节又称速度控制，简称调速，是指电动机传动系统中，通过人为地或自动 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r r g 电拄系统的改造1 程 地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。从电动机的机械特性看， 就是通过改变电动机的参数、结构或者改变外加电源的电压、频率等方法。改变电动 机的机械特性，即改变它与工作机械特性的交点，从而改变电动机的稳定运转速度。 r t g 电气传动系统主要由起升调速控制系统、大车走行调速控制系统、小车走 行调速控制系统三部分组成。三部分均采用直流电动机传动，由两组独立的直流电源 供电，组合形式为起升机构与大车运行机构共用一组直流电源，小车运行单独用另一 组电源。 ( 一)起升调速系统 起升调速系统在载荷下降时必须采用能耗制动，将重物的势能消耗在电阻上，以 免反馈至发电机，引起超速。 起升调速系统主要由p l c 、直流电动机驱动器及保护电路等组成。 - 糟聃譬艚 矗 譬h 霄霉撇 囊搿搿霹 l 2 五5 5 5 童l蓉f毯j ii ll j1 1 1 目| i - 一一二：一 一一一一 图3 2 起升调速驱动器回路 卜海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造工程 起秀壤执行 图3 3 起升调速系统主回路 起升调速驱动器和起升调速系统回路如图3 2 和图3 3 。可知，控制回路以直流 驱动器m e n t o r 为核心，测速输入信号，运行使能信号，制动信号等。m e n t o r0 控制改变励磁绕组的励磁电流大小和方向，从而将导致发电机输出电压和方向发生改 变，电机的电枢电压大小和方向亦随之改变，在电动机励磁电流不变的情况下，根据 u ；c 匆加可知，电动机的转速和转向将随之改变，这就是起升机构的调速原理。 在起升机构下降时，采用能耗制动方式，以稳定速度。 起升调速系统有以下特点： ( 1 ) 采用p l c ，直流电动机驱动器，调速安全可靠。 ( 2 ) 起升速度可切换调速。 ( 3 ) 起升电机下放重物时，电机反转，由于重力加速度的原因，电机处于再生制动状 态，拖动系统的机械能转化为电能，并释放掉 ( 4 ) 起升和停止与机械制动器有效匹配。 上海海事大学硕t 学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造工程 ( 二)大车行走调速系统设计 大车行走机构在门架的两侧各装了一台传动电动机。大车行走调速控制系统由一 套驱动器供电，借两台电动机的磁场调节进行纠偏。 大车行走调速控制系统主要由p l c ，直流电动机驱动器及保护电路等组成。 拧童毫巍 图3 4 大车行走调速系统主回路 大车行走调速系统主回路如图3 4 。为了优化电路，大车运行采用与起升机构同 一驱动器进行励磁调速，因为按照实际工况，大车运行和起升机构可以不同时进行， 只需在p l c 程序中，另设大车运行速度。 大车行走调速系统有以下特点： ( 1 ) 采用p l c 安全可靠。 ( 2 ) 限位控制保护 ( 3 ) 启动、停止时与制动有效匹配。 上海海事大学硕十学位论文： 1 奉二井r t g 电控系统的改造工程 ( 三)小车行走调速系统 大车行走调速控制系统主要由p l c ，直流电动机驱动器及保护电路等组成 差霉 j - ： 霉- 5 _ 警置 譬室 警嚣 暑 警鼻 图3 5 小车驱动器回路 小车行走机构单独采用一台m e n t o r0 直流驱动器，调速方式和原理与起升机 构类似。 小车行走调速系统有以下特点： ( 1 ) 采用p l c ，直流电动机驱动器具有技术先进、安全可靠等。 ( 2 ) 限位控制保护。 ( 3 ) 启动、停止时与制动有效匹配。 上海海事大学硕士学位论史：i i 奉：井r t g 电控系统的改造工程 ( 4 ) 平滑加减速运行 1 6 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造1 程 4 1 电气传动系统要求 4 机构电气传动系统设计 ( 一)基本要求 机构电气传动系统设计的基本要求为：轮胎式集装箱门式起重机( r t g ) 在使用 吊具时，可供装卸i s o 标准的集装箱，r t g 能做主起升，小车运行、大车行走等主 要机构动作，上述动作由直流电动机驱动。 r t g 的性能满足下列要求( 表4 1 ) ： 扔苟 心 起升大车小车 功率( k w ) 芈数量 7 52 5 * 21 8 5 工作制( j c )连续 4 0连续 电枢电流c a ) 3 8 3 1 2 5 5 宰29 0 电枢电压( v ) 2 2 02 2 02 2 0 励磁电流( a ) 6 8 1 2 82 4 8 2 2 2 电枢电阻( q ) 0 0 1 4 9 0 0 2 5 60 0 2 4 励磁电阻( o ) 1 3 4 12 0 43 1 电机转速( r 跗) 8 5 0 11 3 3 1 7 0 0 1 7 5 01 7 5 0 表4 1 ( 二)技术规范要求 电气传动设计时需符合下列标准或在国际范围内被接受的具有同类水平的标准： 国际电气委员会 i e c 新版“电气工程协会用线规定” 中国起重机安全规程 ( g b 6 0 6 7 8 5 ) 对一些无国际标准可依的，将采用中国起重机设计规定( g b 3 8 1 1 8 3 ) 等起重机 通用标准。 试验规范 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造工程 输出变压器电压、相位和相极应正确； 应检查紧急停车装置工作的正确性； 带电部件的护罩应符合标准； 在完成必要的调试校准后应提供试验报告。 电缆 控制柜电缆导线的截面的选用应根据所使用的电路、元件设备的不同，充分满足 其发热和允许电压损失的限制要求。所有低压电缆( 动力、检测) 的额定电压，都不 低于交流5 0 0 v 或直流5 0 0 v 。用于信号检测、通讯方面的信号电缆( 如测速电机、 负荷传感器、负荷信号传输线、电话线等) 需引出电气房外敷设的须使用橡胶绝缘屏 蔽电缆，以确保信号的传输精度不受外界的影响。 电缆规格如下： 4 4 0 v 2 4 0 v 1 1 0 v 控制 p l c 柜内的p l c 信号线 布线 不小于2 5 r i m 2 不小于2 5 m m 2 不小于1 5 m m 2 不小于i m m 2 0 5 m e 2 除线路板的电线规格可较小外，辅助动力线的最小规格为1 5 r a m 2 ( p l c 柜除外) ； 电线的接头只能位于线路板、控制箱、接线盒的接线板或电气设备的端子，除在 适当的接线端子外不应有电线接头； 每根电线应截成适当长度，并装有端子接头，两端均用号码管标上与电路图上一 致的永久的编号； 新增的控制回路直流供电电源，须经稳压调节，在直流输出端装有短路保护，计 算负载不超过额定功率的。 端子 配电盘、控制屏引出线的接线端子，均安装在前面，便于维修，所有端子排上盖 有透明的防尘绝缘罩，能方便拆装。控制屏和接线盒内的端子应比实际需要多1 0 作为备用。所有电线的接头必须用冷压钳压制，以保证良好的接触。 ( 三)电气传动性能要求 r t g 的电气传动系统须具有以功能： 1 ) 起升机构轻载时采用恒功率控制。 2 ) 为了便于起重机对箱作业，要有较宽的调速范围及良好的低速运行行能 3 ) 具有梯形速度特性 上海海事大学硕士学位论文：日本三井r t g 电控系统的改造工程 4 ) 大车运行机构能够在运行中自动纠偏，确保在运行时直线行驶，同时具有手动装 箱。 5 ) 电动机等电气设备的常规保护。 6 ) 必要和足够的安全行程、限位保护。 7 ) 大车转向机构与起重机运行机构联锁，必须车轮到位锁定后，大车方可运行。 8 ) 发电机调节与保护系统。 9 ) 起升机构载荷下降时，具有可靠的防止柴油机超速的保护措施。 l o ) 紧急事故停机按钮。 1 1 ) 故障诊断与报警，并能记录、打印。 4 2m - g 电气传动系统设计 由储 鼍 l 小车驱动嚣卜_一悻艄i 粕人员卜 f ll 状态显示屏i n _ 1 洲l l _ 姗一i l _ 1 椭i l 微一h 主 砧 l 黼艄l 图4 1r t g 控制图