无触点吊车.ppt

1 2008 8 21 全数字无触点起重设备调速系统 2 一 起重设备电气控制国内现状 起重设备即吊车是各行业都离不开的重要的吊运设备 其广泛地应用于冶金 机械 矿山 码头等场所 依据不同的场合吊车可分为钳式吊 磁吊 抓斗 龙门吊等种类 其能否快速 灵敏 安全地运行事关重要 我国目前起重设备大都采用接触器 继电器控制 控制落后 线路零乱 故障率高 维护困难 运行成本较高 通过十几年检修 维护 我们认为过去的吊车系统中存在许多问题 3 吊车系统中存在如下问题 动作频繁 接触器触头和线圈经常烧坏 严重时引起线路着火或造成触头粘连 酿成重大设备损坏等安全事故 起重设备大多数都振动极大 常常造成接触器机械部分损坏 电动机加速依靠控制器或靠时间继电器控制 由于时间调整准确度差 电机常常承受较大冲击电流 由于控制不完善 难以避免操作人员野蛮作业 反接制动电流也非常大 烧毁电机是常有之事 给生产造成巨大损失 4 仅有的过流保护形同虚设 电机没有保护措施 长期处于过载状态下运行使电机绝缘迅速老化 降低寿命 并常常出现烧坏电机碳刷和二次电阻 电机常在大电流下工作 不仅机械冲击大 且耗电惊人 浪费大量的能源不说 其功率因素极低 污染电网 对电网造成冲击 在某些行业 如炼钢 炼铁灰尘较大且带电粉尘 降低电气设备绝缘 备品备件消耗量大 维护成本极高 有许多吊车都是在火红的钢锭 钢坯和钢水下作业 环境温度极高 有时能达70 80 这样对电气系统的要求就更加苛刻 维修人员检修造成更大困难 工人在检修时苦不堪言 5 近年来随着电子技术微机技术的迅猛发展使得吊车控制水平达到一个崭新的发展时代 相继推出不同形式的吊车控制系统 如 变频调速吊车 芬兰 西门子 三相定子相位角闭环控制吊车PLC控制调速吊车直流调速吊车模拟式无触点吊车控制装置全数字无触点吊车调速装置 6 7 8 9 10 11 12 二 电能质量问题 随着现代化工业的发展的科学技术的进步 电力电子器件应用的场合越来越多 容量越来越大 如各种变流装置中大量使用晶闸管 晶体管 IGBT IGCT等 它们的使用产生具大的社会和经济效益 但对电网却有着较大的谐波污染 对用电设备造成较大的威胁 因此如何消除谐波污染 治理电网公害 改善电能质量事在必行 电能质量 在供电电压和频率接近额定值和稳定的程度 电压和电流偏离正弦波的程度 三相系统三相平衡的程度 连续供电的程度 国内外电能质量情况 国内 连续供电程度99 93 相当于每年停电12小时国外 连续供电程度99 9999 相当于每年停电12小时 美 日 13 电能质量的特征 动态性影响的互动性干扰的潜在性和传播性责任的特殊性评估的复杂性电能质量的相关整体性 14 电能质量造成的经济损失 包钢炼钢厂南北精炼电容器的损坏或多次跳闸 造成停产 包钢薄板厂高压补偿柜放炮 甘肃某热电厂63KW发电机冷却器铜管支架产生谐振振裂直接经济损失上百万元 湖北某煤油厂继电器误动作导致全厂停电 美国周报统计 由于电能质量直接导致经济损失每年260亿美元 2003年8月美 加停电的间接损失每天高达300亿美元 15 依据国标GB T114549 39 公用电网谐波 16 依据国标 GB T12325 1955电力系统频率允许偏差正常允许 0 2HZ根据容量可放宽 0 5HZ用户冲击引起频率变动一般不超过 0 2HZ依据国标 GB T12325 1955供电电压允许偏差1 35KV及以上 10 2 10KV及以下三相供电为 7 3 220V单项供电 7 10 据国标 GB T15543 95三相电压不平衡度正常2 短时4 每个用户不超过1 3 17 变频器系统给电网带来的谐波 18 1 无源滤波技术 单调谐滤波器 利用串联L C滤波器 双带通滤波器阻尼通滤波器 高通 特点 可滤除一定含量的谐波 同时具有无功补偿功能 结构简单 缺点 体积较大滤波特性依赖于电源阻抗低于最低调谐频率时阻抗特性变坏不能完全滤除非特征谐波设计时需考虑多种因素 调整不便 可能导致并联谐振 2 多项整流技术3 有源滤波器动态补偿同时补无功和吸收谐波 储能元件容量不大 不会发性过载 受电网阻抗影响不大 不容易发生谐振 可单独补偿也可集中补偿 19 三 采用单片机控制的无触点吊车控制装置 单片机的发展历史单片机 是将整个计算机系统集成为一块芯片中的微机 其内部集成了RAMROM总线及总线逻辑 定时器 WatchdogI O串行口 脉宽调制输出 A DD A等各种必要的功能和外设 第一只单片机 1971年由Intel公司研制出来 智能化时代到来大量地应用于彩电 冰箱 空调 录像机 PC机 286 386 VCD DVD 遥控器 游戏机等 其后又发展到89系列 20世纪微电子行业发展更加迅速 其中单片机的应用最引人注目 单片机特点 单片性体积小 功耗低 成本低可靠性高 简便灵活 20 单片机的组成 1 单片机系统结构 精简指令集 RISC 将程序和数据存贮器分开使用即哈佛 Harvard 结构 多数采用 复杂指令集 CISC 采用PC机的冯 诺依曼类似的原理 对程序和数据存贮器不做逻辑上的区别 21 2 组成 次复位 电源 中断 22 3 程序存贮器 EPROM 需紫外线擦除 反复使用 价格高 逐渐淘汰开发阶段使用OTP 一次编程价格便宜 中小批量生产MASK 厂家掩膜价格风险高 超大批量生产 Flash 在线反复编程价格适中发展趋势随机存贮器 RAM 用于存放程序运行时的工作变量和数据 由于RAM的制作工艺复杂 价格比ROM高很多 因此单片机的内部RAM非常宝贵 一般有几十到几百个字节容量 RAM的内容样电也会丢失 23 4 中央处理器 CPU 单片机的核心单元 算术逻辑运算ALU控制部件 24 5 并行输入 输出 I O 端口通常为独立的双向口 任何口既可以用作输入方式 又可以用作输出方式 通过软件编程设定 I O接口是单片机的重要资源也是衡量单片机功能的重要指标之一 25 6 串行输入 输出口用于单片机和串行设备或其它单片机的通信 26 7 定时器 计数器 Timer Counter 内部精确定时外部事件进行计数 输入信号如脉冲 27 8 系统时钟通常需要外接石英晶体或其它振荡源来提供时钟信号 也有的使用内部Re振荡器频率 2 100MHZ200MHZ频率越高系统稳定性越差 对外围器件要求也越高 28 单片机的重要指示 1 位数 是单片机能够一次处理数据的宽度4位 MSM64155A8位 805116位 MSP430系列32位 MOTOROLA的MPC单片机虽然也升级换代 但不像PC市场那样快速淘汰老产品 目前在国内8位 16位仍是主流 32位在高端市场应用也日益广泛 如通信等领域 29 2 存贮器程序存贮器几千到几兆字节 串行编程或并行编程数据存贮器几十字节到几百字节3 I O口一般有几个到几十个I O口 还可以使用专门的I O口扩展器件 如82C55 GM8164等4 速度指CPU处理速度 以秒执行多少指令衡量常用单位MI S 每秒百万条指令 目前最快的单片机可达到100MI S以上 30 5 工作电压5V 5 5V 10 3V 3 3V 1 5V 2 5 6 5V宽电压型 用于电压波动大场合 6 功耗目前低功耗单片机的静态电流可以低到 uA或mA级7 工作应用民用级 0 70 工业级 40 85 军用级 55 125 31 全数字无触点控制装置的设计方案 由于微电脑技术和电力器件迅速发展使起重设备控制更加完善 保护更加全面可靠 我公司研制开发的全数字无触点起重设备调速装置方案新颖独特 使用效果极佳 装置成功应用于首钢炼铁厂10T抓斗吊 太钢30T吊 通钢75T吊 乌拉山电厂10T抓斗吊 包钢线材厂50T 30T吊 轨梁厂30T吊 炼钢厂75T钢渣吊 选矿20T等吊车上 目前运行的二十多台吊车设备都运行稳定 故障率低 收到很好的效果 1 定子侧实施方案 1 主电路接线方式主回路采用晶闸管模块或晶闸管反并联形式散热 结构采用整板结构强制风冷散热 如图1所示我们可以清楚地看到电路中没有能耗制动序流晶闸管 这也是本系统利用实蕊晶闸管组成了单相及单相半波序流电路的独道之处 32 定子侧主回路原理 A B C V11 V12 V21 V22 V51 V42 V41 V32 V31 V52 33 定子控制原理框图 定子侧控制原理框图 34 装置定子侧采用51系列单片机实现起重设备的监控和保护 单片机将模拟量输入信号和数字量信号通过光电隔离后进行信号处理 放大运算及逻辑运算 按照起重设备不同运行工况完成电机的起动 换向 调速 保护 故障记忆 装置所有参数都是由三个功能键在线或离线设定和修改 参数显示由4位数码管显示 装置对故障信息有记忆功能 方便现场的维护及故障诊断 35 制动环节 起重设备的制动方式 一般采用反接制动和机械式抱闸制动 在卷扬系统中还有再生发电制动 全数字起重设备调速控制装置在控制器回零位时 增加了能耗制动环节 能耗制动与机械抱闸同时作用 增强了制动效果 目前国内采用的能耗制动大多采用单相全波整流 制动强度大 响应速度快 我公司通常采用单相半波续流方式 这种方式制动无需增加晶闸管等设备就是利用定子侧主回路中V11 V32 V51及交流电动机A相和C相绕组构成 原理图如图 其主要特点就是负序电流被续流晶闸管滤除 即将负序的力矩消除 这样就增强了制动力矩 从实际效果来看同全控桥式制动效果相近 其制动电流可以用三个功能键来设定 一般情况下制动角设定在135 125 之间即可 主要还是根据实际情况而确定 能耗制动脉冲自动依据电源相序修正 反接制动 控制器回零位时 系统可自动实现反接制动 制动时间可由功能键随意设定 也可实现一个方向有反接制动 另一个方向没有反接制动 36 V11 uAc C V51 V32 能耗制动原理及波形图 37 转子侧调速方案 转子侧依然采用分级切除电路的方式 电阻由双向晶闸管导通与关断来切除和加入电阻 转子电阻的切除采用三种方式 一种设定依据时间 一种是依据设定的速度 另一种是依据设定定子电流值 这三种方式可根据具体实际而方便地实现 38 主回路电路组成 电阻切除是用双向晶闸管来实现的 双向晶闸管在反压时触发比较困难 我公司采取一种特殊电路将这个问题解决 这样使得控制柜结构非常简单 便于现场维护 如图所示 39 电机转子侧主回路电路原理 40 控制电路原理 转子侧控制原理框图 41 转子侧滑差信号来源于转子感应电势 再通过波形整形后做为频率检测源送入单片机进行运算来确定当时的电机速度值 该值再同设定值比较来决定是否发出触发脉冲切除电阻 每级频率设定可依据电机参数初始化或人为手动按键设定 转子 定子电流通过三支精密互感器分别接入控制板中 一方面做为过载 过流 三相电流不平衡等保护 一方面作为电阻切除检测 单片机接收到每相电流后与其被设定的值相比 如果此时选择定子电流方式切除电阻 则其将决定是否发出触发脉冲来切除转子电阻 每级电流设定都可由控制板初始化转为人为设定 时间方式切除转子电阻是以电机起动时开始计算 执照人为设定的间隔时间逐级切除转子电阻 此方法在不同负载状态下 电机起动电流相差较大 有时甚至超过允许值 电机长时间过载易烧毁电机 另外时间方式不能正常使电机在每种负载下都达到较好的起动特性 因此一般不建议使用 上述三种切除转子电阻的方式都非常容易地利用控制面板上的三个按钮方便地设定 42 完善的保护功能 装置具有通电防止误触发短路保护 零电流切换保护 电机过流 过载 三相不平衡 单相接地 电源缺相 主回路电源未合闸预警等保护 使电机运行在非常安全的工况下 确保了吊车安全稳定运行 43 转子侧电阻切除采用双向晶闸管装置采用独特的触发电路 解决了双向晶闸触发难的问题 转子侧电路简单 结构简捷 其电路如图 双向晶闸管触发控制图 44 运行参数可针对不同电机进行初始化 定子侧 45 实际应用情况 2002年元月在棒材车间50T吊车主卷扬电机 50KW电机 正式应用其工作性能稳定 抗干扰能力强 近三年未发生任何事故 其工作电流与原系统比较见下表 表1 工作电