变频调速技术在专用行车改造的应用

谢 强

（铜陵有色金属集团股份公司 金冠铜业分公司， 安徽 铜陵 244001）

1 引言

新时期，我国综合国力开始进入高层维度，经济总量迅猛提升，各个领域发展速度日益加快，人民群众开始追求高品质生活。不断增长的需求为社会的良好发展提供了源源不断地动力，在此形势下，自动化随之出现，同时发展迅猛，在各个领域中运用越来越广泛。其中，变频调速技术是工业自动化控制中极为重要的一部分，其既能让资源得到节省，同时还可以促进动作效率提升，以坚实的基础助推工业良好发展［1］。本文主要阐述变频调速技术在铜陵有色金冠铜业分公司的应用，着重介绍了该技术在电解专用吊车技术改造应用，取得良好效果。本文还展望了变频调速技术的发展趋势。

2 变频调速技术

变频调速技术主要由自适应电动机模型单元、转矩和磁通比较器两个部分构成，前者是变频调速技术中不可或缺的一部分，其可以对输入发动机的电流和电压数据进行精确检测，给予工作技术人员帮助，使其充分掌握相关数据，从而更好地应用技术［2］；后者可以有效比较两种所展现的反馈值以及参考值，然后借助磁场和转矩情况，利用滞环调节器开展输出工作，可以加深工作人员对磁场状态以及转矩状况的了解。

3 变频调速技术在金冠铜业分公司的应用

变频调速技术在金冠铜业分公司得到了广泛应用，主要用在以下几个方面：

（1）以节能为目标，主要应用于各类风机和泵，典型代表是适配二氧化硫风机的高压变频器，功率达到5500kW；

（2）基于精确控制为目标，典型代表是适配定量给料的皮带和螺旋给料机；

（3）基于防摇摆和速度曲线控制为目标，典型代表是冶炼行车和铜电解专用行车。

4 变频调速技术在铜电解专用行车改造中的运用

4.1 铜电解专用行车简介

铜陵有色金冠铜业分公司奥炉电解车间厂房东西两侧布置了电解槽，电解厂房中部从西至东依次配置了 1#阴极剥片机组、阳极整形机组、残极洗涤机组。两台阴极剥片机组在电解车间北侧出阴极铜，阳极机组和残极机组在电解车间南面进出阳极板和残阳极。厂房内配置电解专用行车2台，用于起吊整槽阳极板、阴极板进行出装槽作业及配合机组进行操作。

4.2 改造前铜电解专用行车

铜电解专用行车主要由桥架、大车运行机构、小车、专用吊具、3.2T移动葫芦、司机室、电气控制系统组成。专用行车定位主要靠行车操作人员驾驶行车至电解槽上的定位锥上方进行人工定位，该定位方式造成定位速度慢、精度差。专用行车的吊具起升、大车、小车运行全部采用在转子回路串电阻调速，这种调速方式优点是投资少、电网功率因数高、无谐波污染；缺点是有级调速，调速平滑性差,无法得到平滑了速度曲线，会造成专用行车行驶速度慢，装出槽作业效率低下；机械特性软，转速越低，机械特性越软,能耗越高［3］。现在专用行车已成为车间提高电解铜产能的瓶颈。2020年，金冠铜业分公司奥炉电解车间同时启动了扩大电解铜产能和专用吊车改造两项工程。

4.3 改造后铜电解专用行车系统组成

铜电解专用吊车此次改造主要针对以下几个方面：吊具、电机驱动、控制系统。吊具采用了与固定框架、活动框架、吊钩等组成，可以实现单极和双极两种作业方式；电机驱动全部采用变频器驱动，实现无级调速；行车控制系统使用了最新的西门子S7-1500，通过触摸屏控制，使操作更加便捷。

4.3.1 PLC集中控制系统

图1 铜电解专用行车PLC集中控制系统

此次电控系统改造另一重点就是PLC控制系统。系统通过PLC和变频器频器调节转速的方法，给定的速度与经由PLC高速计数模块反馈回来的实际速度相减产生速度误差，经PLC运算得到控制量，再由PROFINET接口输出到变频器以驱动电机，从而达到调节电机转速的目的。由于PLC与变频器之间没有采用D/A进行转换，而是采用了PROFINET进行数字通信，有效地提高了系统的抗干扰能力［4］。

此次专用行车PLC控制系统选用西门子S7-1500控制系统。整个专用行车PLC控制系统由触摸屏、变频器、PLC、定位系统借助工业以太网将一套健全的控制系统网络建成。整个控制网络具有可扩展性，并与剥片机组、阳极机组和残极机组的控制系统组成电解铜装出槽作业完整的控制网络，通过安全联锁可以提高三套机组和行车作业的安全可靠性。

4.3.2 定位系统

定位系统是整个行车电控系统中的一个非常重要的部分，其性能直接影响着车间吊运极板的效率。本系统中大车和小车采用激光测距仪进行精确距离冗余测量。高度方向的定位采用设置在卷筒轴上的多圈绝对值脉冲编码器来实现。PLC系统通过控制网络从测距定位设备获取了X、Y、Z三轴方向的绝对值坐标。

4.3.3 变频调速驱动系统

专用行车的吊具起升、大车、小车运行全部采用变频调速，本系统中变频器采用西门子公司的G120系列产品，实现对各机构的精确转矩和速度控制。G120变频器通过数字式、智能化设计，能够方便灵活的设定各种参数，实现稳定的低速运行。具有软启动、软制动特性，减少机械冲击，延长机构的使用寿命，能够自动的监测故障，提高了调速系统的可靠性。同时变频器输入端设置的电抗器能有效抑制浪涌电压和浪涌电流，保护变频器和防止谐波干扰，延长其使用寿命，同时降低变频器对其他设备干扰，改善电网质量。

4.4 改造后专用吊车运行方式

专用行车有三种操作模式：手动模式、半自动模式和全自动模式，由于生产现场实际经常需要人为干预，现在多采用半自动模式。

通过定位系统可以使专用行车获得起始位置和目标位置，通过PLC控制系统可以计算行车的行驶路径，而通过变频器能获得行车最佳的加速和减速曲线。三者结合在一起解决了专用行车智能化作业的问题即“我们在哪里，去哪里、干什么和怎么干”。专用行车可以自行分辨出什么负荷，在负荷不同的情况下实现行车的速度的最优化和效率最大化即从启动位置到达目标位置过程中，大、小车能够交叉运行，实现吊架到目标位置的直线到达。

4.5 改造效果

改造后铜电解专用行车明显具有更好定位精度、更完美的运行轨迹和更加卓越的作业效率。表1是专用行车改造前后主要指标对比情况。

表1 改造前后效果对比表

使用变频调速技术，可以使专用行车实现快速起步、高速行驶、快速减速的全程高速运行。如果说PLC控制系统是铜电解专用行车的大脑，PROFINET以太网络是神经单元，那么变频器则在专用行车扮演了具有兼具接受PLC指令和指挥电动机运行的二传手，在行车运行中起到十分重要的作用。

5 变频调速技术未来发展趋势

5.1 开关器件

从目前发展形势分析，智能化变频装置成为了工业发展的必然趋势，其能够自动化监测系统中保护、控制及功率等相关变化情况，科学调整与全面监控工业生产的各个环节，以此来提高系统运行的安全性，为工业体系构建打下牢固的基础。现代工业中，变频调速技术必须具有强大的功能，应积极研发出高性能的开关元器件，这是变频调速技术发展的重点。

5.2 变频控制电路

当前，我国高压变频调速系统自动化、数字化水平较高，能够对系统进行全方位调控［5］。然而，数字化、自动化等性能还需进一步提高，发展潜力较大。所以，随着技术的日益革新，我们应积极引入更多的新技术元素，大胆尝试，将其引入到变频调速技术中，对整个系统进行高效控制。

5.3 矢量控制

对于高性能电机系统而言，矢量控制是关键性技术，其包含了大量重要的科学技术类型，如参数识别技术、磁通观测技术等，这些技术能够对开关频率进行有效调节，进而改变电压波形［6］。所以，为了紧跟时代发展，应对矢量控制技术进行重点研究，将其引入到变频调速技术中，确保其在工业生产领域中彰显更高的价值。

6 结语

凭借特殊的性能，变频调控技术广泛运用于工业生产中，有力地保证了生产的稳定性。基于工业自动化需求，凭借变频调控技术的独特优势，广泛推广运用这一技术，可整体提高工业生产自动化水平，实现高效生产，获取更大的经济效益。