起重机起升机构变频器参数的优化

王剑超，熊良勇

(1.太原市晋阳湖管理处，山西 太原 030021;2.太原重工股份有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

传统起重机电气控制系统的设计依据是电机稳态理论，工程师通过分析电机稳定运行时的特性曲线来设计控制方案，这样设计出来的方案具有结构简单、便于维修的特点。但是由于忽视了对电机动态运行过程的分析，该控制方案会导致起重机启动时负载对机械结构产生冲击，从而影响起重机的钢结构及机械制动部件的寿命[1]。

随着现代电机理论和现代控制技术的发展，工程师能够更加深入地分析电机参数。在调试现场，工程师可以通过修改变频器参数来优化电机的启动性能。随着可编程逻辑控制器的发展和现场总线技术[2]的出现，使得电气控制系统的采样时间可以精确到几十毫秒以内，现场工程师能够在更精细的时间轴上观察电机各项参数曲线，更有效地依据现场实际情况来调整变频器控制参数，从而优化电机的启动性能。

本文通过一个工程实例，对变频器控制的起升机构的启动过程进行分析，以减小电机启动对起升机构机械结构造成的冲击为目的，通过分析变频器不同设置参数条件下电机的启动运行曲线，得出作者认为的最佳变频器参数设置方法。

1 起重机起升机构的机械传动结构

图1为起重机起升机构机械传动结构。本文分析的起重机起升机构的额定起重量为320 t、起升速度为0.98 m/min，电机型号为YZP315M-10H、额定转速为586 r/min。

2 起重机起升机构的电气控制系统

该起升机构的电气控制系统使用西门子SINAMICS S120系列变频器。变频器的动力部分使用PM340系列功率单元，控制部分使用CU310-2DP控制单元。起升机构电气控制系统框图如图2所示。

图1 起重机起升机构机械传动结构

图2 起升机构电气控制系统框图

3 变频器的参数调整

减小启动过程引起的机械冲击的关键在于做好电机和制动器的配合，电机与制动器最理想的配合方式是：制动器不打开，电机轴上没有转矩；制动器打开后，电机轴上的电磁转矩要拖动负载按照变频器事先设定的加速曲线到达稳定的运行速度。

电机和制动器受变频器控制，它们的运行要通过变频器的参数调整来实现。做好电机和制动器之间的配合，需要工程师根据现场情况对变频器的两个关键参数(P1220和P1216)进行优化设置。

3.1 设置打开制动器状态检测的信号源(P1220)

变频器默认的运行流程是：在启动状态下，变频器首先使电机励磁，当电机励磁完成后，变频器再根据用户设置的参数控制电机和制动器运行。

工程师使用安装在PC机上的Starter软件[3]对变频器进行设置。需要设置的第一个关键参数是P1220，即设置打开制动器状态检测的信号源(Release threshold signal source)，如图3所示。图3中，P1212为设置检测阈值(Release threshold)；P1277为零速检测延时时间(Delay time)；P1218为连接制动器打开控制信号(Release brake)，默认设置为1；P0855为连接制动器强制打开信号(Brake must be released)，默认设置为0。

图3 Starter中P1220设置页面

设置打开制动器状态检测的信号源(P1220)通常有两种选择：一是选择电机力矩(r80.0)作为打开制动器状态检测的信号源；二是选择电机电流(r68.0)作为打开制动器状态检测的信号源。

3.1.1 选择电机力矩作为打开制动器状态检测的信号源

选择电机力矩(r80.0)作为打开制动器状态检测的信号源主要基于以下考虑：操作者要求负载上升的工况时，制动器打开之前，电机会先给负载一个正向力矩，当制动器打开后，电机正向力矩大于负载力矩，合力矩使负载受到一个向上的力，可以避免因电机电磁力矩尚未建立起来电机暂时出现的反转现象，同时通过设置检测阈值(P1212)可以使电机启动力矩大小相对合适，避免启动过程对负载产生冲击。

图4为P1220选择r80.0负载上升时的电机参数曲线。从图4中可以看出，启动过程中电机转速平稳，力矩曲线平滑,满足起升机构平稳运行的要求。

图4 P1220选择r80.0负载上升时的电机参数曲线

图5为P1220选择r80.0负载下降时的电机参数曲线。在制动器打开的瞬间电机建立反向的电磁转矩，加上负载重力产生的转矩，对传动轴产生一个叠加的反向合力矩。这个力矩使电机轴快速加速，很快就超过了变频器设定的转速。为了减小电机的过快加速，变频器会控制电机产生正向力矩，因此电机轴上的电磁转矩有一个快速的过零瞬变过程。这种情况下齿轮箱和钢丝绳会产生比较明显的冲击，因此使用力矩作为打开制动器的条件是不恰当的。文献[4]详细论述了设置电机转矩作为打开制动器状态检测的信号源时同类型负载的运行情况。

图5 P1220选择r80.0负载下降时的电机参数曲线

3.1.2 选择电机电流作为打开制动器状态检测的信号源

选择电机电流(r68.0)作为打开制动器状态检测的信号源，图3所示的设置检测阈值(P1212)选择的是20%的电机基准电流，该数值小于电机励磁电流。设置检测阈值小于励磁电流的原因是：当电机完成励磁之后，就具备快速转矩响应的能力，电机转矩可以快速达到变频器要求的数值。

通过上述分析，当选择电机力矩(r80.0)作为打开制动器状态检测的信号源(P1220)时，在负载下降的工况下，电机启动会对机械结构造成冲击；当选择电机电流(r68.0)作为打开制动器状态检测的信号源(P1220)时，变频器控制电机在零转矩下启动，能够有效避免电机启动对机械结构造成冲击。因此选择电机电流(r68.0)作为打开制动器状态检测的信号源(P1220)比选择电机转矩(r80.0)更为优化。

3.2 制动器打开时间的设置(P1216)

制动器打开时间(Brake releasing time)P1216是需要调整的第二个变频器参数，其在Starter软件中的选择设置页面如图6所示。图6中，P1215为制动器功能设置(Brake configration)；P1275.5为制动器反馈信号(Brake with checkback signal)；P1217为制动器关闭动作时间(Brake closing time)；r1229.1为制动器释放连接信号(Release brake command)。

图6 Starter中P1216设置页面

在调整制动器打开时间参数之前，首先要测得制动器的实际打开时间。制动器打开时间从变频器发出制动器打开信号开始到电机转速出现变化终止，现场使用的是液压块式制动器[5]，使用Starter软件现场测得制动器打开的实际时间为180 ms。

制动器打开时间(P1216)有三种设定方法：P1216大于制动器实际打开时间；P1216等于制动器实际打开时间；P1216小于制动器实际打开时间。

3.2.1 设定打开时间大于制动器实际打开时间

设定时间大于制动器实际打开时间，意味着变频器在制动器实际打开以后仍不发出转矩命令，理论上制动器打开后电机轴上没有电磁力矩，因此负载可能在重力作用下运行，处于失控状态。

3.2.2 设定打开时间等于制动器实际打开时间

如果设定制动器打开时间等于制动器实际打开时间，电机在制动器打开之前没有转矩，避免了电机和制动器之间的机械冲击。但是当要求重物上升时，在制动器刚打开的一段时间内，由于电磁转矩不能瞬间达到负载转矩，因此重物会拖动电机反向转动，负载越重，电机反转的情况越明显。

图7为P1216等于180 ms电机启动时的参数曲线。由图7可知，带负载情况下，在电机启动时，启动转矩不足，受负载拖动，电机转速出现负值，速度达到-25 r/min，约等于电机一档额定转速的41%。

图7 P1216等于180 ms电机启动时的参数曲线

3.2.3 设定时间小于制动器实际打开时间

为了减少因电机启动瞬间电磁转矩不足带来的电机反转问题，工程师现场将制动器打开时间(P1216)设定为140 ms。这样在制动器打开之前，变频器会提前启动转矩输出，在制动器打开的瞬间电机轴上会有一定的向上转矩，减少了电机反转。

图8为P1216等于140 ms负载上升时的电机参数曲线。由图8可知，电机带一定负载时，制动器实际打开的瞬间，电机轴上大概有200 Nm的初始转矩，这个初始转矩可以有效地减少电机的反转。

制动器打开时间的具体数值需要现场调整，设置时间不应过小。制动器的打开时间过小会导致制动器打开时电机轴上的转矩过大。对于下降过程来说，反向电磁转矩叠加重力产生的力矩会使得电机轴加速过快，超过设定的加速曲线，从而导致电磁转矩的震荡并造成机械结构冲击。P1216等于140 ms负载下降时的电机参数曲线如图9所示。

图8 P1216等于140 ms负载上升时的电机参数曲线

图9 P1216等于140 ms负载下降时的电机参数曲线

通过对上述三种设定方法的分析，为了保证起升机构的运行安全，同时减少起升机构启动时的电机反转现象，应当设置制动器打开时间(P1216)小于制动器实际打开的时间。

4 结论

从最终起升机构的调试结果来看，设置电机电流作为打开制动器状态检测的信号源(P1220)，同时根据现场情况将制动器打开时间(P1216)设置为小于制动器实际打开的时间，能够在保证起升机构安全性的前提下，尽可能地减小电机启动时对起升机构的冲击。该设置方法简单可靠，与控制系统的其他部分没有相互干涉，便于现场操作。起重设备的调试是一个精细化的工作，需要工程师根据现场的实际情况反复对变频器参数进行优化调整，使设备在最优化的状态下运行。