深圳川能自动化龙门吊车的变频改造方案
1. 控制系统硬件配置
门机的变频改造主要是对起升(包括支持、开闭)、变幅、旋转、行走等机构的电控系统进行改造。由于各机构电机功率一般较大，进行改造一次性投资过高，所以实际改造中往往根据用户要求进行选择性改造，由于大车部分工艺要求相对简单，改造后效果不是很明显，所以目前国内的旧门机变频改造多采用只改起升、变幅、旋转等机构，也有只改造其中个别机构的。
门机变频控制改造硬件配置主要包括司机室操纵台、PLC、主令于柄、机器房PLC、变频器以及电动机、编码器等电气单元的更换更新。
某公司门机变频改造多采用美国GE Fanuc PLC与日本安川G7系列变频器，取代了原有的电气元件。如用PLC代替继电器逻辑控制，提高电气控制的可靠性，用变频器调速替代电机转子串联电阻调速，很好地解决了起动电流大、电气元件故障率高、调速范围窄的问题。2. PLC控制系统
2.1 PLC选择
PLC是门机4个机构的控制中心，是通过采集限位、回馈等现场输入信号，并提供用来控制各执行机构和声光报警设备的输出信号来进行工作的，根据原系统现场输入，输出信号的作用及数量，结合门机控制工艺的改造要求选择PLC型号规格。以秦皇岛港1台10t/33m门机改造为例，通过对该机工况的了解，实际需要输入点102个，输出点56个，可选用GE Fanuc9030系列PLC。
但是考虑到输入或输出点寿命的问题及系统扩展的需要，故实际使用8个输入模块共128点，5个输出模块共64点，以便满足日后升级要求。2.2 PLC输入，输出模块化(I/O图)设计
该设计中，模块按功能布置分组设计。第1S2、1S3、1S4、1S5组模块作为各机构运行条件，限位保护，及机构保护检测电路的信号输入点，第lS6、1S7、1S8组作为起升、行走、变幅、回转操纵手柄信号输入点。第2S1、2S2组模块作为起升、行走、变幅、回转挡位信号输出点。第2S3、2S4组模块作为中继及指示灯信号输出点。2.3 PLC软件的使用
PLC程序采用GE Fanuc ME4.0软件程序编写，该软件可分不同子程序项目名称进行编程，其中子程序项目按电源、支持、开闭、变幅、旋转、行走和报警等6部分编写，这样既浏览直观，又便于用户维修。3. 变频器调速系统
在选用变频器调速时，应考虑电动机特性与实际各机构中的应用，起重机的4个运行机构所需的变频器功率均不同。本例采用日本安川公司G7系列高性能变频器，它是具有三电平控制电流矢量控制变频器，是目前世界上唯一采用三电平控制的低压变频器。下面以10t/33m门机变频改造为例，具体从起升机构叙述变频控制原理，其他变幅、旋转、行走机构与起升基本相同，只作简单描述。3.1 起升机构
起重机的核心是起升机构，装卸散货用门机的起升机构又包括支持和开闭2个机构，控制方式相同，它们均是位能变动性负载。因此，要求系统具有良好的动态性能，这样才能使货物装卸平稳，安全可靠。如果利用原有绕线式电动机使用变频调速控制是比较难满足条件的，故电动机需要更换成更具有优越性，高性能的变频专用电动机。但就目前港口门机的现状，并根据用户要求和从性价比角度考虑，常采用变频调速改造时不更换原电机，仅把绕线电机转子回路短接，去掉了逐级切除电阻调速用的接触器部分，选用变频器控制，也能实现调速的无级和元触点控制。但其性能不如采用高性能变频专用电动机的控制效果好，但能满足用户要求，而且改造成本比较低，投资回报快，在资金允许时再更换变频专用电动机也很容易，只要对电机作一下停止性自学习即可使用。
根据原门机设计要求及用户需求，本例中支持和开闭2个机构的电动机选用了90kW变频专用电动机，选配日本光洋TRD-S600B编码器，用作速度控制反馈信号，故变频器选用132kW型号为CIMR-G7A4132安川变频器，配带PG-B2速度反馈卡进行闭环矢量控制，系统具有足够的硬度和良好的低频转矩特性，即使变频器输出是0Hz电动机也能以150%的额定转矩输出，且速度控制精度达到1：1000，并采用PLC和变频器来控制制动器的松闸和抱闸。采用PG-B2速度反馈卡进行闭环控制，检测电动机的实际转速，实现了实际的零速抱闸，可大大延长制动器闸瓦、减速箱、钢丝绳的寿命，降低故障率，提高工作效率。变频器的无级调速很广，可以根据需要自由设定加减速时间；良好的低速力矩特性使电机在起动和加速时可获得足够大的加速度；制动单元及制动电阻的接入使电机在减速和停车时能够获得足够的制动力矩。变频器的上述特性保证了门机变频调速系统具有很好的速度响应性能。由于变频器本身是高可靠性的通用标准设备，故障率极低，因而大大降低了设备的故障率，减少了维护人员的工作量，提高了作业效率。由于安川变频器针对起重机行业的功能设计，通过PLC的逻辑判断，真正保证了电机能够在“零速”抱闸，实现了变频器平稳的起、制动，从而减轻了各个机构在机械起动和制动时对门机机械部分造成的冲击，延长了门机机械部分的寿命。因变频器采用交-直-交控制方式，配有进线电抗器，可使重载作业时的平均功率因数达85%以上，大大超过工普通电控门机的60%，节能率达到30%。3.2 变幅、旋转、行走机构
变幅机构多为绕线式电机控制带动齿条变幅，为常规控制有级调速，因此变幅机构运行时冲击增大、尤其在停车与起动时震动较大，可造成减速器l密封不严，漏油加剧，加速机构磨损，增加了维修量。旋转机构多为转柱型、其回转轴承的支撑重量较重，造成门机旋转机构起制动过程中晃动较大，对钢结构的寿命产生了一定的影响；且门机刹车脚踏力较大，从而造成司机的操作疲劳。通过对上述原因进行分析，变幅、旋转机构所产生的撞击是由于起动和制动时产生的动能无法很好的吸收造成的，通过引入变频调速系统可解决上述问题。
(1)变幅机构 原变幅机构是1台30kW绕线式电动机，根据用户改造成本状况，从技术和生产要求考虑，变幅机构改用一台30kW变频专用电动机驱动，变频器选用安川的45kW变频器CIMR-G7A4045，利用交流变频调速的特性，选用开环矢量控制的模式。
开环矢量控制是不采用PG卡和编码器，不需要速度反馈而实现的矢量控制模式，相对于闭环矢量控制精度低，但比V/F控制精度高很多，可实现0.3Hz时电动机能以150%的额定转矩输出，且速度控制精度达到1：200，速度响应10Hz。(2)旋转机构 原旋转机构是2台22kW绕线式电动机，考虑改造中既要节约成本开支，亦能满足技术和生产要求的情况下，将原来电动机不更换，分别把2台电动机的转子绕组抽头端子短接，去除原来的电阻，选用一台55kW的型号为CIMR-G7A4055的安川变频器，选用开环V/F控制的模式实现变频调速的要求。(3)行走机构 行走机构是非工作性机构且运行频率低，故采用原有的标准电机。左腿与右腿共使用了4台11kW标准电动机驱动。在本起重机工作中，防止事故的发生，旋转与行走机构是不能同时运行的。经计算，行走总功率为：4台11kW的电机总功率之和44kW，恰与旋转机构总功率相当，鉴于以上因素，、采用共用一台变频器调速，使用CIMR-G7A4055变频器，利用交流变频调速的V/F开环控制模式实现变频调速控制。4. 3电平控制变频器的优缺点及其应用前景
随着变频调速技术的不断进步，安川公司已正式在中国市场推出了采用了3电平控制的真正电流矢量控制型G7系列变频器，是目前世界上唯一采用三电平控制的400V级通用变频器，使变频器输出电压更接近正弦波。传统的“2电平控制”方式用6个IGBT控制电压，新型的“3电平控制”方式采用12个IGBT控制电压。3电平控制方式回路构成见图4，通过母线间的电解电容将直流电压一分为二，通过IGEBT的ON/OFF开关动作得到3个电平，使3电平控制时直流侧电压的变化是“2电平控制”方式的1/2，冲击电压由原来的1200V下降到770V，故冲击电压大大降低，因此不会发生绝缘劣化，可以在不需要外接冲击滤波器的情况下使用通用电机。3电平控制的漏电流为采用2电平控制的漏电流的1/2，从而减少了接地故障检测的误动作，通过比较发现使用“3电平控制”较原来的“2电平控制”方式噪声干扰下降20dB。低冲击电压、低干扰和低噪声是3电平控制变频器的主要优点。采用2电平控制方：式的变频器，原则上要求配用变频专用电机，但实际上通常采用的多为普通绕线电机，这种电机不但启动电流比同功率的变频电机大，而且绝缘等级也比变频电机低(变频电机一般为F级，而普通绕线电机一般为B级)。采用2电平控制的变频器有如下缺点：一是施加在电机轴的冲击电压对绕线电机轴承及电机线圈的损害；二是变频器在矢量控制模式(如变幅和起升电机的控制)时要求进行旋转型自学习，并且要求在自学习时脱开负载。变幅和起升电机要脱开负载时，必须要求减速箱与电机轴脱开，给调试造成不便，如果不进行自学习则不能达到矢量控制的最佳效果，即重载时容易造成“溜车”。安川公司最新推出的G7系列变频器则完全解决了上述问题。G7系列变频器相对其他“2电平控制”变频器有如下方面的改善：
(1)采用3电平控制模式，可驱动普通电机；
(2)可实现停止型自学习；
(3)低速力矩方面进一步改善，它实现了在无PG矢量控制时在0.3Hz可输出150%以上的转矩；
(4)可实现过载150%额定功率1min和200%额定功率0.5s的过载能力；
(5)采用无PG矢量2控制，即使在无PG时也可以实现力矩控制；
(6)能很好的抑制作用在电机上的冲击电压，无需电机的冲击电压对策。
综上所述，新型3电平控制变频器既继承了2电平控制的优点，又解决了原2电平控制的缺点和不足；特别是安川G7系列变频器秉承安川变频器在起重机行业的一贯优势，使门机在变频改造后性能和可靠性进一步提升。经过一些港口的使用，系统投入运行以来，运行稳定可靠，受到用户好评。5. 结束语
门机自变频改造以来，性能稳定良好，维护工作量明显减小。与改造前比较有以下优点：
(1)制动器闸瓦损耗少，制动轮元磨擦发热现象；
(2)减速器和传动部件噪声减少了；
(3)改造后比改造前节能约10%；
(4)钢丝绳磨损大大减少；
(5)使用PLC、变频器控制后，检修方便快捷；
(6)整机运行平稳，工作效率提高。