全变频闭环控制在岸桥吊具电缆卷盘系统中的应用

摘要：在岸桥吊具电缆卷盘系统中，将原有的磁滞联轴器加变频器驱动模式改造为全变频闭环控制驱动模式，不仅可以缩短卷盘系统的响应时间，提高吊具电缆跟随效果，而且能够改善电缆的受力状况，减少系统设备的维护工作量，提高设备运行的可靠性。

关键词：电缆卷盘；全变频；闭环控制；技术改造

岸桥是集装箱码头的主要生产设备，其完好率决定了整个码头的生产效率。吊具电缆卷盘驱动系统是岸桥吊具获取电源、控制信号等能量和信息的唯一通道和关键系统，该系统的工作稳定性、可靠性直接影响到岸桥整机的可靠性。为了确保设备的完好率，减少设备故障，降低设备因素对生产的影响，更好地保护吊具垂缆，我公司对岸桥吊具电缆卷盘驱动系统现有的配置进行了改造，将原有的变频器加磁滞联轴器的驱动模式改造为全变频闭环控制驱动模式，使用一年来效果良好。

一、原吊具电缆卷盘驱动系统简介

岸桥吊具电缆卷盘原有的驱动模式为变频器加磁滞联轴器的驱动模式。动为装置为2台380VAC5.5KW三相异步电动机，由变频器驱动三相异步电动机，电动机输出轴端与吊具电缆卷盘的齿轮箱之间采用大扭矩磁滞联轴器连接，以实现动力的传送，见图1。

图1  变频器加磁滞联轴器的驱动模式原理图

该驱动模式的主要特点是磁滞联轴器的“软特性”，即联轴器的输入轴与输出轴之间通过磁力连接，在特定的条件下联轴器两端的转速可以不同步。在作业过程中，当吊具提升时，依靠电机的驱动力进行同步收电缆；当吊具下放时，电动机反转下放电缆，依靠变频器对卷盘转速进行控制，确保下放电缆同步；当吊具低速下放时，电动机制动，依靠电缆的自重和吊具的拖拽克服磁滞联轴器的磁力下放电缆。因其“软特性”能缓问吊具升降时对电缆产生的张力，这种变频器回磁滞联轴器的驱动模式已有十余年的使用历史。但该驱动模式亦有如下缺点：

1、由于磁滞联轴器的“软特性”，吊具在高速运行的情况下，当吊具下放和上升高速转换的加速度大于0.8m/s²时，系统响应迟钝，电缆跟随效果差，对电缆造成冲击。

2、由于吊具电缆卷盘采用大扭矩磁滞联轴顺，当吊具低速下放时，电缆停止动作，磁滞联轴器一端静止，吊一端随电缆下放而转动过时联轴器会因克服磁力而产生大量的热；当吊具高速动作时，主动盘（感应盘）和从动盘（永磁盘）通过磁耦合连接（见图2），主动盘由电缆驱动旋转时，相对磁极错开一个角度，磁力产生扭曲，磁系统位能升高产生切力，牵引从动盘转动。当主动盘与从动盘不同步时，磁力线被切割产生大量热能。两盘的转速差越大，联轴器产生的热量越多，相关零部件温度升高，润滑脂老化，轴承损坏，从而导致整个磁滞联轴器损坏。

图2  磁滞联轴器的结构原理图

3、采用此种驱动模式时，驱动电机的安装方式为轴向悬挂式，当磁滞联轴器损坏后，极易导致电机损坏。

二、吊具电缆卷盘全变频闭环控制驱动模式简介

吊具电缆卷盘全变频闭环控制驱动模式是采用一个380VAC15KW的三相异步电动机，电动机输出轴与吊具电缆卷盘减速箱之间用弹性联轴器连接驱动（见图3）。

图3  电缆卷盘全变频闭环控制驱动模式原理图

驱动系统采用速度控制、力矩限幅的控制模式，主要由变频调速电机、制动器、减速器、卷筒、吊具、集电器、编码器、电控系统等组成。变频调速电机根据PLC获取吊具提升的高度位置、速度等信息，经自动计算，输出扭矩和转速，通过齿轮箱驱动卷筒运行。在运行过程中不断检测吊具电缆的提升速度和力矩，实时自动修正，形成闭环控制，确保电缆的速度始终准确地跟随着吊具的实际速度并使电缆的受力在合理的范围内。

具体工作过程如下：

1、吊具起升，电缆卷绕时：吊具上升时，制动器（常闭型）得电打不开，变频调速电机正转，通过弹性联轴器驱动电缆卷筒转动卷绕电缆。PLC通过拾取吊具的起升速度、高度位置信息，自动计算，给定电机转速，在运行过程中，不断检测吊具变频电机的转速，实时修改，保证吊具电缆跟随良好。

当发生挂舱事故、吊具上架的缓冲器的行程达到较大时触发信号开关，吊具实施紧停，从而保护电缆不被拉断。

2、吊具下降，电缆放缆时：吊具下降时，制动器也得电释放，变频调速电机反转，PLC通过拾取吊具运行速度和高度位置等信息，自动计算给定电机反转转速，同时变频电机保护一定的反转扭矩，保证电缆在下降过程中保护张紧。

3、吊具停止，电机停止运行：主系统控制关断，主起升停止，制动器不通电，处于制动状态，能确保吊具电缆不会因自重、风载而下坠。

岸桥采用吊具电缆卷盘全变频闭环控制驱动模式具有以下优点：

1、全变频闭环控制驱动的吊具电缆卷盘克服了磁滞联轴器的“软特性”，系统响应速度快，电缆跟随效果好。

2、卷盘控制采用“速度控制和力矩限幅控制相结合技术”，结合吊具上架的缓冲器过紧限位开关作用，保证电缆在任何工况下不会超过其许用拉力。

3、电机采用单台卧式安装变频调速电机，整个传动系统转动惯量小，其应用场合不受电缆自重、起升高度、吊具加速度等限制。

4、电机采用弹性联轴器与减速器连接，保养工作量小，维护简单，相应的配件价格低。

5、电缆保护：①限制电机给定卷盘的力矩，确保电缆张力小于其许用拉力；②吊架上架的缓冲器安装有过紧限位开关，一旦吊具电缆卷盘收、放缆速度与吊具速度不同步造成的吊具缓冲器的行程达到较大值时，吊具缓冲上的过紧限位触发，电缆过紧信号发出，整个系统做出紧停动作而保护电缆。

三、两种吊具电缆卷盘驱动模式的比较

吊具电缆卷盘变频器加磁滞联轴器的驱动模式与全变频闭环控制驱动模式的性能比较见表1。

表1  变频器加磁滞联轴器的驱动模式与全变频闭环控制驱动模式的性能比较

四、结论

实践证明，在岸桥吊具电缆的驱动方案中，全变频闭环控制驱动模式既可以避免传统的垂缆加储缆框模式因大风天气或起升高速运行时导致的电缆钩挂外物而导致电缆损坏的风险，又可以改善变频器加磁滞联轴器的驱动模式下吊具电缆的运行条件，同时避免驱动机构复杂而增加维护保养工作量。