Application of full frequency conversion closed-loop control in the cable reel system of quay crane spreader

摘要：在岸橋吊具電纜卷盤系統中，將原有的磁滯聯軸器加變頻器驅動模式改造為全變頻閉環控制驅動模式，不僅可以縮短卷盤系統的響應時間，提高吊具電纜跟隨效果，而且能夠改善電纜的受力狀況，減少系統設備的維護工作量，提高設備運行的可靠性。

關鍵詞：電纜卷盤；全變頻；閉環控制；技術改造

岸橋是集裝箱碼頭的主要生產設備，其完好率決定了整個碼頭的生產效率。吊具電纜卷盤驅動系統是岸橋吊具獲取電源、控制信號等能量和信息的唯一通道和關鍵系統，該系統的工作穩定性、可靠性直接影響到岸橋整機的可靠性。為了確保設備的完好率，減少設備故障，降低設備因素對生產的影響，更好地保護吊具垂纜，我公司對岸橋吊具電纜卷盤驅動系統現有的配置進行了改造，將原有的變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式改造為全變頻閉環控制驅動模式，使用一年來效果良好。

一、原吊具電纜卷盤驅動系統簡介

岸橋吊具電纜卷盤原有的驅動模式為變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式。動為裝置為2臺380VAC5.5KW三相異步電動機，由變頻器驅動三相異步電動機，電動機輸出軸端與吊具電纜卷盤的齒輪箱之間采用大扭矩磁滯聯軸器連接，以實現動力的傳送，見圖1。

圖1  變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式原理圖

該驅動模式的主要特點是磁滯聯軸器的“軟特性”，即聯軸器的輸入軸與輸出軸之間通過磁力連接，在特定的條件下聯軸器兩端的轉速可以不同步。在作業過程中，當吊具提升時，依靠電機的驅動力進行同步收電纜；當吊具下放時，電動機反轉下放電纜，依靠變頻器對卷盤轉速進行控制，確保下放電纜同步；當吊具低速下放時，電動機制動，依靠電纜的自重和吊具的拖拽克服磁滯聯軸器的磁力下放電纜。因其“軟特性”能緩問吊具升降時對電纜產生的張力，這種變頻器回磁滯聯軸器的驅動模式已有十余年的使用歷史。但該驅動模式亦有如下缺點：

1、由于磁滯聯軸器的“軟特性”，吊具在高速運行的情況下，當吊具下放和上升高速轉換的加速度大于0.8m/s²時，系統響應遲鈍，電纜跟隨效果差，對電纜造成沖擊。

2、由于吊具電纜卷盤采用大扭矩磁滯聯軸順，當吊具低速下放時，電纜停止動作，磁滯聯軸器一端靜止，吊一端隨電纜下放而轉動過時聯軸器會因克服磁力而產生大量的熱；當吊具高速動作時，主動盤（感應盤）和從動盤（永磁盤）通過磁耦合連接（見圖2），主動盤由電纜驅動旋轉時，相對磁極錯開一個角度，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。兩盤的轉速差越大，聯軸器產生的熱量越多，相關零部件溫度升高，潤滑脂老化，軸承損壞，從而導致整個磁滯聯軸器損壞。

圖2  磁滯聯軸器的結構原理圖

3、采用此種驅動模式時，驅動電機的安裝方式為軸向懸掛式，當磁滯聯軸器損壞后，極易導致電機損壞。

二、吊具電纜卷盤全變頻閉環控制驅動模式簡介

吊具電纜卷盤全變頻閉環控制驅動模式是采用一個380VAC15KW的三相異步電動機，電動機輸出軸與吊具電纜卷盤減速箱之間用彈性聯軸器連接驅動（見圖3）。

圖3  電纜卷盤全變頻閉環控制驅動模式原理圖

驅動系統采用速度控制、力矩限幅的控制模式，主要由變頻調速電機、制動器、減速器、卷筒、吊具、集電器、編碼器、電控系統等組成。變頻調速電機根據PLC獲取吊具提升的高度位置、速度等信息，經自動計算，輸出扭矩和轉速，通過齒輪箱驅動卷筒運行。在運行過程中不斷檢測吊具電纜的提升速度和力矩，實時自動修正，形成閉環控制，確保電纜的速度始終準確地跟隨著吊具的實際速度并使電纜的受力在合理的范圍內。

具體工作過程如下：

1、吊具起升，電纜卷繞時：吊具上升時，制動器（常閉型）得電打不開，變頻調速電機正轉，通過彈性聯軸器驅動電纜卷筒轉動卷繞電纜。PLC通過拾取吊具的起升速度、高度位置信息，自動計算，給定電機轉速，在運行過程中，不斷檢測吊具變頻電機的轉速，實時修改，保證吊具電纜跟隨良好。

當發生掛艙事故、吊具上架的緩沖器的行程達到最大時觸發信號開關，吊具實施緊停，從而保護電纜不被拉斷。

2、吊具下降，電纜放纜時：吊具下降時，制動器也得電釋放，變頻調速電機反轉，PLC通過拾取吊具運行速度和高度位置等信息，自動計算給定電機反轉轉速，同時變頻電機保護一定的反轉扭矩，保證電纜在下降過程中保護張緊。

3、吊具停止，電機停止運行：主系統控制關斷，主起升停止，制動器不通電，處于制動狀態，能確保吊具電纜不會因自重、風載而下墜。

岸橋采用吊具電纜卷盤全變頻閉環控制驅動模式具有以下優點：

1、全變頻閉環控制驅動的吊具電纜卷盤克服了磁滯聯軸器的“軟特性”，系統響應速度快，電纜跟隨效果好。

2、卷盤控制采用“速度控制和力矩限幅控制相結合技術”，結合吊具上架的緩沖器過緊限位開關作用，保證電纜在任何工況下不會超過其許用拉力。

3、電機采用單臺臥式安裝變頻調速電機，整個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，相應的配件價格低。

5、電纜保護：①限制電機給定卷盤的力矩，確保電纜張力小于其許用拉力；②吊架上架的緩沖器安裝有過緊限位開關，一旦吊具電纜卷盤收、放纜速度與吊具速度不同步造成的吊具緩沖器的行程達到較大值時，吊具緩沖上的過緊限位觸發，電纜過緊信號發出，整個系統做出緊停動作而保護電纜。

三、兩種吊具電纜卷盤驅動模式的比較

吊具電纜卷盤變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式與全變頻閉環控制驅動模式的性能比較見表1。

表1  變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式與全變頻閉環控制驅動模式的性能比較

四、結論

實踐證明，在岸橋吊具電纜的驅動方案中，全變頻閉環控制驅動模式既可以避免傳統的垂纜加儲纜框模式因大風天氣或起升高速運行時導致的電纜鉤掛外物而導致電纜損壞的風險，又可以改善變頻器加磁滯聯軸器的驅動模式下吊具電纜的運行條件，同時避免驅動機構復雜而增加維護保養工作量。