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.大跨度门式起重机驱动均载和防偏斜控制器的实际实施
本文对轨道式大跨度门式起重机的控制电气传动进行了分析。现代解决方案考虑了变频器在所有传动装置中的应用。从负荷分配的角度出发，对多电机水平运动的驱动进行了研究。虽然可以认为，电机是刚性耦合的机械结构，他们不需要一个平等的负载扭矩。该算法以变频器的转矩估计值为基础，采用简单实用的方法，在PLC中实现控制器，实现了与电机额定功率成比例的负载分配。针对大跨度龙门传动，提出了一种有效的斜交消除方法，实现了电机间的负载共享。本文在工业上的多个地方对算法进行了实验验证，并给出了其特点。
关键词：龙门起重机，多电机驱动，变频器，负载分担，偏斜控制器
0 介绍
起重机在冶金、造纸、水泥等行业的不同行业中经常用于装卸重物。固定式或移动式装置可安装在室外或室内。一些行业，例如港口集装箱应用或开放式储料仓，需要大跨度门式起重机。在户外应用中，风对驱动器性能的影响可能相当大，风和偏斜会显著影响起重机的安全运行，这必然会从机械方面处理起重机的类型设计（格构式或箱式设计），以及起重机电气驱动装置的选择、尺寸和控制。
起重机控制的电气技术在过去几十年中发生了重大变化。从沃德伦纳德系统到直流驱动技术的转变和强大的绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现，在20世纪90年代，引入了交流驱动器[2]和[3]。传统的交流驱动起重机采用滑环感应电动机，其转子绕组通过电源接触器4到5步连接到功率电阻。通过线路接触器改变定子电源的相序来实现换向。制动是通过堵塞来实现的。主要缺点是实际速度取决于负载。最近增加了一个电子控制系统来连续控制转子电阻值。如今，这些系统已被变频器取代，为各种类型的运动提供鼠笼式感应电动机[3]。基于可编程逻辑控制器（PLC）和工业通信网络（现场总线）应用的控制概念是用于复杂应用的标准解决方案[4]。
轨道式龙门起重机通常用于移动集装箱。装载卡车或材料储存。这种起重机通常由三个独立的运输物料的运动组成。第一个运动是提升机，提升和降低物料。第二个是小车，它允许起重机直接定位在材料上方进行放置。第三个是门式起重机，它允许整个起重机沿着工作区域移动。在工业应用中，经常需要额外的传动装置作为辅助提升机、电力电缆卷盘和传送带。因此，一般来说，起重机是一种复杂的机械。根据起重机的能力，每一个上述驱动器，可以实现为多电机。多电机驱动一词用于描述工艺过程中的所有驱动。
图1.图示为门式起重机金属结构意外倒塌
如果过程需要根据单个驱动器的控制速度对驱动器进行控制操作，则表达式控制的多电机驱动器就足够了。对于许多这样的驱动器，负载侧的机械耦合是典型的[5]到[7]。在起重机的应用中，单个电机的耦合是通过机械传动装置实现的，而且通常在技术上是不可破坏的。写这篇论文的原因是一家制糖厂的大跨度门式起重机事故，由于倾斜，如图1所示。本文作者的任务是设计起重机上的所有电气传动装置，特别是解决龙门传动装置作为故障原因的问题。基于这些原因，考虑了起重机运动的特征驱动。本文第一部分提出了多电机均载控制拓扑。第二部分介绍了大跨度门式起重机驱动装置在甜菜装载中的应用。介绍了多电机传动中的负荷分配问题，以及龙门传动的斜交消除方式。建议的解决方案与实验结果一致。
1.可能的负载共享，配置概述
受控驱动器通常由功率转换器供电，对于受控多电机驱动器也是如此。所用转换器的种类、类型和数量取决于电机类型、额定功率和多电机驱动类型。控制和调节还取决于多电机驱动的类型，也取决于所选转换器的类型，因此必须对转换器和这些驱动的控制器的选择进行分析。关于电机的电源，可能出现以下情况：
-由单个转换器供电的多个电机（多个电机-单个转换器）；
-由单独的转换器（多个马达、多个转换器）控制的马达。
在起重机应用中，经常使用多电机驱动，需要在电机之间按比例分配功率。负载共享是一个术语，用来描述多个转换器和电机耦合并用于运行一个机械负载的系统[6]。在最严格的意义上，负载分配意味着施加在每个电机负载上的扭矩量是由每个变矩器和电机组规定和执行的。因此，为同一过程供电的多个电机和转换器必须按比例分配驱动负载的功率。
从单个变矩器运行的多个电机不共享负载，因为单个电机的扭矩控制是不可能的。在这种情况下，负载分配仅受正确选择的扭矩转速机械特性的影响。对于鼠笼式感应电动机，没有经济的方法来调整现成电动机的机械特性，但这必须在选择过程中进行。对于滑环感应电机，机械特性可以随后进行调整，包括转子电阻。控制电机H没有任何互连的独立转换器也不共享负载。缺乏互连会破坏任何可能的比较和错误信号生成，这是补偿应用于任何单个驱动和电机组的负载差异所必需的。负载共享的控制拓扑考虑到互连的存在，即有关负载（电机电流或转矩）的信息知识。共有三类负载分配技术：通用速度基准、扭矩随动器和速度微调随动器。常见的速度基准是最简单、最精确和较不灵活的负载分配形式，如图2所示，此控制的精度取决于驱动控制算法、电机特性和要控制的负载类型。
图2，通用速度参考配置
转矩跟随器的负载分配类型要求变频器具有在“转矩模式”下运行的能力，如图3所示。如果需要速度调节，其中一个转换器（“主”）可能处于“速度模式”。在速度模式下，控制器在输出端提供扭矩命令，该命令可分配给其他转换器（“从”或“扭矩随动器”）。第二个变矩器以主变矩器的扭矩基准为指令，在扭矩调节模式下工作。该扭矩信号可按比例缩放，以按任何期望的比例分配负载。
图3，扭矩随动件配置
在速度微调跟随器配置中，图c所有转换器都在速度调节中运行。
模式和接收相同的速度参考。主变矩器的扭矩基准被发送到随动变矩器。每个随动转换器将其自身的扭矩参考值与主变矩器的扭矩参考值进行比较，如图4a所示。比较器的输出是一个误差信号，用于调整随动器的速度。备选配置级联扭矩参考比较，图4b。第一个随动件将主件与其内部值进行比较。第二个追随者将上述追随者与其内部值等进行比较。
a.
b.
图4速度微调随动件配置
2.1负荷分担
在大跨度起重机上，对一些传动装置进行了试验性能分析，用于甜菜从接收位置到糖厂仓库的连续运输。
该起重机已采用以下详细信息进行可调频率感应电机驱动的试验：
-处理能力：500t/h
-门架跨度：64.5m；
-提升高度：18m；
-工作条件：室外。
甜菜贮存门式起重机主要由以下功能部件组成：
1.龙门驱动（16 m/min），四台5.5 kw的感应电机，每个支腿两台。
2.系统传送带（2 m/s），带“倾斜”（30kw）、水平（30kw）和“蝶形”传送带（11kw）。
3.小车驱动（12 m/min），四个电机为1.1千瓦。
4.4.蝶形启闭机（3千瓦）。
5.电机驱动电缆盘（1.1千瓦）
6.带适当PLC的分散式起重机控制系统，转换器和其他智能设备（例如：编码器、操作员面板等）之间的现场总线通信图。
图5.分散式起重机驱动控制
图6所示为带指示驱动装置的门式起重机的分散驱动控制。所有电机均为三相，由变频器供电。
当然，机架驱动是最复杂的，原因如下：
-W为多电机驱动，每侧由两台电机组成；
-跨度大；
-结构为格子结构，因此具有弹性；
-工厂位于室外，因此风的影响可能相当大；
-跑道轨道长度为300m。
本驱动器前面设置的基本要求是：位于同一侧的电机之间的负载分配相等，以及固定和自由门架支腿之间的倾斜。虽然电机具有相同的功率，但进行负载分配的必要理由很少：不同的车轮直径、不均匀的粘附力。
结构的几何缺陷，由于轨道潮湿或冻结导致小齿轮打滑。负荷分配采用调速均载配置解决，如图4b所示，负荷分配控制器由PLC实现。
在图7中，显示了由变频器（FCL和FC2）供电的两个轨道耦合感应电机（IMI和IM2）之间负载分配的原理框图。设计均载控制器的出发点是，为了从多载电机上接管部分负载，少载电机应加速。有关负载的信息可以通过不同的方式获得。最简单的ONC是通过电机电流。现代变频器用于驱动，能够获得与额定扭矩相关的电机扭矩百分比信息。
如图7所示，只有一个电机（n＊2）的速度基准相对于主速度基准（n＊=n＊1）的参考修正进行更新，并且与估计的电磁转矩差（）成比例。负载分配调节器KLS的比例增益可计算为：
式中△n＊d是给定电磁转矩差下相对于主转速基准的理想参考转速校正
图示6.带指示驱动器的门式起重机
图7.基于估计扭矩的负载分配原理
为了保证电机在大的外部干扰下，特别是在低速时，当无速度传感器驱动器的电磁转矩估计精度降低时，电机的稳定运行，有必要限制校正值△n＊，如图7所示。
图8.无负载分配的电机扭矩和速度
为了验证所提出的算法，分析了小车载荷分配问题。
由于左右侧距离较短，可以忽略偏斜。小车驱动由四个电机组成，每侧各两个（左侧为IMI-IM2，右侧为IM3-IM4）。变频器采用无速度传感器矢量控制方式。电机具有相同的参考转速。图8显示了无负载分配的电机扭矩。以参考速度。在稳态下，即使电动机的额定功率相同，负载转矩也不同。估计的电机转矩不适用于控制算法。左右侧之间的速度不同，因为这取决于电机特性和负载，如图8所示。
图9带负载分配的电机扭矩和速度
均载效应如图9所示。在同一支腿上可以很容易地看到大致相等的电机扭矩。所使用的系统能够调节每个电机的速度，并控制负载差。这样，负载差就保持在所需的精度上。
所用控制器的类型取决于电机驱动的目的和所需的负载分配精度。通常使用PI（同时使用比例项和积分项）PI或P(纯比例）类型的控制器。在我们的情况下，只使用带KlS=1p.u.的比例控制器。负载控制器的输出仅限于最大速度参考的几个百分比（在我们的示例中为△nmin-max=2%）。这足以提供必要的负载调节，而不会因为对速度基准的影响太大而“破坏”驱动速度调节。该方案可应用于起重机上的各种多电机驱动。
2.2龙门传动和消除偏斜
轨道式龙门起重机在起重机桥的一端运行时，由于轨道状况不佳、车轮磨损不均匀、车轮打滑或不均匀的负载条件，经常发生倾斜。起重机倾斜会导致车轮过度磨损和应力，尤其是车轮法兰。它还可以在与轨道成直角的位置产生水平力，从而对起重机轨道梁和建筑结构造成异常应力。这通常会导致驱动轮直径不同，从而导致起重机倾斜。
在分析的实例中，起重机运动的整个驱动装置由固定的和自由的门式支腿组成。固定支腿和自由支腿之间的距离为64.5米。跑道轨道的长度为300米。支腿两端都有驱动装置，三相感应电机功率为5.5千瓦。因此，整个大车的驱动采用四台电机。最大移动速度为16 m/min。如果风速小于25 m/s，则允许移动。龙门架的结构为格子结构，以减少风的影响，并表示给定跨度弹性。固定支腿和自由支腿的负载不同，部分原因是龙门架的不对称性，但主要原因是带负载皮带的小车沿着龙门架移动。门架计算临界偏斜为1m，采用最大允许偏斜为50cm。
通过适当的PLC、两个绝对编码器、两个接近传感器（带有六对50 cm长的标记）和四个变频器实现偏斜消除，用于机架驱动的电机电源，如图10所示。在每个支路上，一个转换器是主转换器，另一个是从转换器。它们的参考值的差异是该支腿上电机之间负载共享的结果。前一小节描述了同一支腿上的载荷分担原理，如图7所示。
对于倾斜跟踪的原因，使用两个绝对编码器（每支腿一个）。编码器安装在一个特殊的车轮上，该车轮不具有牵引力（所谓的自由轮），以避免打滑。编码器测量行走路径，并将信息转发给在PLC中实现的调节子系统。固定支腿上的主转换器被选作Gentry驱动的主转换器，而在这种情况下，自由支腿上的主转换器是机架的从机，见图10所示。
根据行程路径差，倾斜控制器产生总参考速度分量，作为倾斜的结果。龙门传动主、从电机间的斜交消除控制方案如图11所示。斜交控制器的设计基于一个简单的思想，即为了消除斜交，应加速机架滞后侧的电机。如图11所示，仅更新一个电机（n ＊2）的速度参考，相对于主速度参考（n＊=n＊1）。参考校正a与绝对编码器位置ae的差成正比。控制器 增益KSC可通过（2）计算：
其中，△n＊d是给定编码器位置差△Eg相对于主速度基准所需的参考速度校正。
为了保证电机在大的外部干扰下稳定运行，特别是在低速时，无速度传感器驱动器的电磁转矩估计精度降低，有必要限制修正值之和。相对于外部干扰补偿装置的校正，两个编码器之间的位置差可实现偏差。外部干扰补偿装置（EDC）考虑到两个编码器位置差的所有外部影响：车轮直径差、车轮和接头编码器滑动.
图10.龙门驱动的闭塞方案
图11.倾斜控制器原理框图资料编号：[3173]
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