交流变频调速技术在工业界的广泛应用，为交流异步电动机驱动的门式起重机大范围、高质量地调速提供了全新的方案。它具有和直流调速系统相媲美的高性能调速指标，它可以采用结构简单、工作可靠、维护方便的鼠笼异步电动机进行调速，并且变频调速系统的效率比传统的交流调速系统要高，其外围控制线路简单，维护工作量小，保护监测功能完善，运行可靠性较传统的交流调速系统有较大的提高。所以，交流变频调速技术的应用是今后门式起重机交流调速技术发展的主流。
2 1100t变频调速门式起重机运行的特点
2.1使用环境
1100t变频调速门式起重机适用于大吨位构件组焊、设备安装以及港口码头、铁路货场、重工企业等的货场装卸作业，起升高度可达13m，最大起重量为1100t,它是我国目前起吊量最大的门式起重机。该产品的结构形式为双主梁门式、双小车，两台起重小车各吊重550t，即可同时起吊、横移，又可单台分别操作，其操作方式为PLC控制的全变频调速系统。
1100t变频调速门式起重机适用的场合均属露天环境，室外温度变化剧烈，有些场所存在多粉尘、有腐蚀气体等，使用环境恶劣。供电电源方面普遍存在变压器容量小，供电电缆截面小、线路长；在大型设备启动时，常造成瞬时欠电压。
2.2运行特征
a.门式起重机起动时应具有大的启动转矩，通常超过150%的额定转矩，若考虑电源波动及超载实验要求等因素，至少应在起动加速过程中提供200%的额定转矩。
b.由于机械制动器的存在，为使变频器输出转矩与机械制动器的制动转矩平滑切换，不产生溜钩现象，必须研讨变频器启动信号与制动器动作信号的控制时序。
c.当起升机构向下运行或平移机构急减速时，电机处于再生发电状态，其能量要向电源侧回馈，必须根据不同的现场情况研讨如何处理这部分再生能量。
d.起升机构在抓吊重物离开或接触地面瞬间负载变化剧烈，变频器应能对这种冲击性负载进行平滑控制。
e.由于每台起重小车的主钩由两台电动机同步拖动，因此主钩的电气传动必须考虑两台电动机之间的力矩平衡分配。
3起升变频器的选用
能满足1100t门式起重机起升机构运行特点，即具有四象限运行、高启动转矩、低速满转矩、快速的转矩上升时间和机械制动器顺序控制等功能的高性能工程型变频器，主要有ABB公司的ACC600系列直接转矩控制型变频器；西门子公司的6SE70/6SE71系列、安川公司的VS—616G5系列、三菱公司的FR—A241E、FR—A540系列等矢量控制型变频器。鉴于直接转矩控制型变频器优越的技术性能，我们选用ACC600起重机专用变频器用于1100t门式起重机起升机构的电气传动。
3.1ACC600变频器的特性
ACC600变频器属于ACS600变频器的系列产品，它使用了与ACS600同样先进的电机控制方式和硬件解决方法，只是装备有特殊的起重机传动应用程序。它具有标准起重机系统的功能：转矩记忆、功率优化（轻负载升速）、限幅开关监控、机械制动器顺序控制、转矩验证、危险速度监视、主从控制等，特殊起重机应用程序结合直接转矩控制技术（DTC），保证了在较高要求的起重机电气传动应用中的精确控制。
直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等参量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化鲁棒性良好；能方便地实现无速度传感器化。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度、转矩控制精度。
ABB公司首先推出的ACS600直接转矩控制系列变频器，已达到<5ms的转矩响应速度，在带PG时的静态速度精度达土O.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，还可以达到土0.1％-土0.5％的速度控制精度。在100%满负荷转矩下，不带PG的动态速度精度一般是土0.4％sec,带PG的动态速度精度一般是土0.1％sec。ACS600变频器即使在零转速下，不要速度反馈也能提供电机满转矩，并能够提供可控且平稳的200%额定转矩的最大起动转矩。
3.1.1主从控制
主从控制是一种负载分配应用，是为多电机传动应用而设计的。它用于电气传动系统中运行两个ACC600变频器并且电机轴通过齿轮、导轨、链条或轴等相互连接的应用场合。主从应用控制中，外部控制信号只与主机变频器连接，主机经由光纤通信控制从机变频器。主机通过主从总线将命令信号和给定值传送给从机，主机也从从机读取返回的状态信息，以确认从机变频器运行是否正常。主机传动是速度控制，从机变频器根据机械传动不同连接形式跟随主机的转矩或速度给定。一般情况下，当主传动和从传动的电机轴通过齿轮、导轨、轴等刚性连接时，从机传动使用转矩控制；当主传动和从传动的电机轴通过柔性连接时，从机传动使用速度控制。
3.1.2机械制动控制
在起升电机速度降到零速后，就应立即施加机械制动，以防止溜钩。当变频器接收到起动命令后，在收到转矩验证成功且没有停止命令时，经过设置的制动抱闸松开延时时间后，变频器输出机械制动开启信号，机械制动器松开，反馈的机械制动确认信号正常开启后，变频器升高输出频率至设定速度。当变频器接收到停止命令后，传动将通过电气制动停车直至零速，变频器撤去机械制动开启信号，机械制动器抱紧电机轴。反馈的机械制动确认信号正常关闭后，变频器的“RUN”命令在经过了设置的机械制动延迟时间后复位为“0”。如果发生机械制动故障，例如在起动或正常运行期间，反馈的机械制动确认信号不正常且时间超过了设置的机械制动故障延迟时间，变频器将停止输出并指示相应的故障信息。
3.1.3转矩验证
转矩验证是起重机电气传动控制中的一个功能模块，在松开机械制动器和开始提升传动之前，确认电机能够产生转矩，机械制动器没有打滑。如果转矩验证成功，则表示电机的输出转矩达到了正确的等级，允许机械制动器松开，开始起动程序。转矩验证在转矩控制模式下无效。
3.1.4功率优化
功率优化功能换句话说就是轻负载升速，它是采用弱磁升速实现在电机的额定速度（基速）以上调速，但这样会降低电机的输出转矩。为了确保电机在弱磁调速范围内始终能够产生足够的转矩控制负载，要计算出一个最大的允许速度，这种功能就叫功率优化。如果功率优化模块收到轻负载升速允许信号，就意味着允许加速到最大速度，计算出的最大速度给定用于积分单元的输入，电机将加速到相应的速度。在向着基速加速时，在速度达到90%基速时，功率优化模块将用以下公式计算出最大允许速度：最大允许速度=基速×TQLIM／TORQHOLD。公式中TQLIM为正向/反向运行时的最大转矩限制，TORQHOLD是由功率优化模块计算出的托住负载所需的转矩。功率优化贯穿于电机加速的过程中，用测量出的总转矩（负载转矩+加速转矩）来计算弱磁调速状态下不超过电机额定故障转矩的最大允许速度。
3.1.5转矩监视
转矩监视功能用于监测电机转矩，检查电机在加减速时是否能够跟随速度给定，在正常运行和加减速期间是否产生过度的速度偏差。如果速度偏差的绝对值超过设定值且时间长于设定时间，变频器将因为转矩故障而跳闸。
3.2起升变频器的容量计算与配置
起升机构要求的起动转矩为1.3—1.6倍的额定转矩，考虑到需有125%的超载要求，其最大转矩需有1.6—2倍的额定转矩，以确保其安全使用。对于拖动等额功率电动机的变频器来说，可提供长达60秒、150%额定转矩的过载能力，因此过载系数k=2/1.5=1.33。
在变频器容量选定后，还应做电流验证，即：
ICN≥kIM
式中：k为电流波形修正系数（PWM调制方式时取1.05—1.1）；ICN为变频器额定输出电流，A；IM为工频电源时的电动机额定电流，A。
1100t变频调速门式起重机有两个独立驱动的起升机构，每个起升机构由2台电动机同步驱动各自的钢丝绳卷筒转动，再经过动滑轮组多级减速提升吊钩。起升机构的变频调速传动方案采用一台变频器带一台电动机的“一拖一”方案，变频器选用ACC600直接转矩控制型提升机专用变频器，为了提高低速传动时的动态特性和高转矩输出能力，每台电动机采用带脉冲编码器的闭环控制。每个起升机构的2台变频器之间采用ACC600变频器提供的具有角同步控制功能的主从控制宏方案，这些控制方案可以实现2台电动机的精确同步控制和转矩平衡分配。
按照上述变频器选用、计算公式进行换算，双起升机构选用4台ACC601-0120-3提升机专用变频器，其技术参数：Shd=100KVA，Phd=75KW，I2hd=147A（4/5min负载周期重载应用）。变频器配用的4个脉冲编码器为NTAC-02，其技术参数：fmax=100KHz，Vcc=24VDC，1024ppr，6路A、A、B、B、Z、Z推挽信号输出。如图1所示，每个起升机构2台驱动变频器之间提供同步控制功能的主从控制宏通过变频器主机与从机通道CH2之间的主/从通讯链接实现。起重机的各种操作信号只送给主机变频器，从机变频器经由主从光纤通讯链路受控于主机变频器，在本例中主传动是典型的速度控制，从机变频器跟随主机的速度给定。用于速度闭环控制的脉冲编码器模块NTAC-02连接于相对应变频器的通道CH1，且必须设置下列参数：①50.04ENCODERCHANNEL：CHANNEL1；②70.03CH1BAUDRATE：4Mbit/S。
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3.3再生能量的处理
当采用变频器传动的起升机构拖动位能性负载下放运行时，异步电动机将处于再生发电状态。逆变器中的六个回馈二极管将传动机构的机械能转换成电能回馈到中间直流回路，并引起储能电容两端电压升高。若不采取必要的措施，当中间直流回路电容电压升到保护极限值后变频器将过电压跳闸。
在高性能的工程型变频器中，对连续再生能量的处理有以下两种方案。①在中间直流回路设置电阻器，让连续再生能量通过电阻器以发热的形式消耗掉，这种方式称为动力制动；②采用再生整流器方式，将连续再生能量送回电网，这种方式称为回馈制动。动力制动方式控制简单、成本低，但节能效果不如回馈制动。回馈制动方式虽然节能效果好，能连续长时制动，但控制复杂、成本较高。应该注意的是，只有在不易发生故障的稳定电网电压下（电网压降不大于10%），才可以采用回馈制动方式。对于采用滑触线供电的门式起重机，应特别注意防止滑触线电刷接触的间断，如果不能保证这一点，应采用动力制动方式，以保证起升机构持续下降时调速制动的可靠性。因此，1100t门式起重机的变频调速系统采用动力制动方式处理各运行机构的再生能量。关于各机构采用动力制动方式后的元器件选用和计算,可参阅参考文献2，限于篇幅，此不赘述。
按照制动单元和制动电阻选型、计算公式进行换算，双起升机构的每台变频器ACC601-0120-3配用2台ABB公司的NBRA-659型制动单元，其技术参数：PBRmax=352.8KW；每台制动单元配置并联连接的2台SAFUR200F500型制动电阻,其技术参数：PRcont=13.5KW，R=2.7Ω，ER=5400KJ（400秒钟工作周期）。
4系统调试
4.1通电前的检查
在变频器外围接线检查中应注意以下几个方面：
（1）电源线应与R、S、T端子连接，绝对不能连至U、V、W端子上。制动单元与变频器连接时，注意其正负极性应与变频器直流母线正负极性相一致，制动电阻与制动单元连接时，不能存在短路、接地现象。
（2）端子、连接器的螺钉是否紧固。端子之间，外露导电部分有无短路、接地现象。所有接地端子必须良好接地。
（3）主从连接、扩展DI模块与变频器之间的光纤连接是否正确，制动单元内部的电压等级跳线是否正确。
（4）起升、大小车机构的机械制动器是否安全，制动器接线是否正确。
4.2双起升机构变频器系统功能参数设置
ACC600系列变频器在出厂时，所有的功能码都已设置。但是，1100t门式起重机变频调速系统的要求与工厂设定值不尽相同，所以，一些重要的功能参数需要重新设定。
（1）启动数据（参数组99）
参数99.2（应用宏）：M/FCTRL（在提升机应用上增加主/从总线通讯功能）；参数99.4（电机控制模式）：DTC（直接转矩控制）；参数99.5—99.9（电机常规铭牌参数）：按照电机的铭牌参数输入。
（2）数字输入（参数组10）
参数10.1—10.13（数字输入接口预置参数）：按照变频器外围接口定义进行设置，限于篇幅，此不赘述。
（3）限幅（参数组20）
参数20.1（运行范围最小速度）：-750rpm；参数20.2（运行范围最大速度）：750rpm；参数20.6（直流过压控制器参数）：OFF（本例中ACC600变频器使用了动力制动方式，此参数设为OFF后，制动斩波器才能投入运行）。
（4）脉冲编码器（参数组50）
参数50.1（脉冲编码器每转脉冲数）：1024；参数50.3（编码器故障）：FAULT（编码器发生故障后变频器显示故障并停机）。
（5）提升机（参数组64）
参数64.2（连续变速选择）：True；参数64.3（高速等级1）：99%；参数64.10（控制类型选择）：STEPRADIO；参数64.16（分段给定等级4）：98%。
（6）逻辑管理（参数组65）
参数65.2（电动机停止后保持电动机磁场ON的时间）：1S；参数65.3（ON脉冲延时时间）：1S。
（7）转矩验证（参数组66）
参数66.1（转矩验证选择）：True。
（8）机械制动器控制（参数组67）
参数67.3（制动内部确认选择）：主机设为False,从机设为True。
（9）功率优化（参数组68）
参数68.1（功率优化选择）：True（功率优化有效）；参数68.2（基速）：50%；参数68.3（自动调节选择）：True（自动调节有效）；参数68.4（向上的总惯量）：10kgm2；参数68.5（向下的总惯量）：10kgm2。
（10）给定管理（参数组69）
参数69.1（对应100%给定设置电机速度）：1500rpm；参数69.9（起动转矩选择）：AUTOTQMEM（自动转矩记忆）。
（11）主从控制（参数组72）
参数72.1（主从传动运行模式）：MASTER（起升机构主机变频器设置）或FOLLOWER（起升机构从机变频器设置）；参数72.2（从机的模式选择）：SPEED（从机处于速度控制模式）。
（12）可选模块（参数组98）
参数98.1（脉冲编码器模块选择）：YES（表示安装了脉冲编码器模块）；参数98.5（扩展模块选择）：主机YES（表示安装了扩展DI模块），从机NO（表示没有安装了扩展DI模块）。
4.3试运行
变频调速系统的功能参数设定完后，就可进行系统试运行。双起升机构应先在每台变频器操作盘上进行速度给定，手动起动变频器，让起升电机空载运转几分钟。注意观察电机的运转方向是否正确，转速是否平稳，显示数据是否正确，温升是否正常，加减速是否平滑等；其次还要注意观察主钩在下降过程中，制动单元和制动电阻工作是否正常。单台变频器试运行正确后，再接入脉冲编码器模块进行速度闭环调试，最后进行主从连接，试运行起升机构变频调速系统。在主从连接调试中，如果出现TORQFLT故障报警时，在排除脉冲编码器与电机接线和参数设置无误的情况下，可将一台电机上脉冲编码器的A/B两组信号倒换，可排除此故障，这是由于两台起升电机旋转方向相反的缘故。
在功率优化功能调试中，除了按照ACC600用户手册中功率优化的调试步骤外，还要注意用户手册中尚未提及的64组参数的正确设置。当参数64.16（分段给定等级4）的设定值＞参数64.3（高速等级1）的设定值时，HighSpeedOK信号失效，功率优化功能直接启用；当参数64.16的设定值＜参数64.3的设定值时，HighSpeedOK信号为“ON”状态时，功率优化功能才启用，HighSpeedOK信号为“OFF”状态时，功率优化功能关闭。
起升变频器手动运行无误后，就可接入PLC控制系统，进行整机联调。整机联调中，关键要注意观察变频器起动与停止时，主钩机械制动器的开闭反应是否快速，主钩是否存在溜钩现象等。其次还要注意观察主钩在下降过程中，制动单元和制动电阻投运后，其温升是否正常。大车机构在运行前，应确保液压夹轨器全部打开。
5结束语
本文提出的采用ACC600直接转矩控制技术（DTC）变频调速控制方案和设计计算方法已成功应用于我公司给中国一重集团制造的目前我国起吊量最大的门吊——1100t变频调速门式起重机，该门吊已在神华集团的煤液化基地投入正常运行。经过一年多的实际运行证明，PLC控制的变频调速系统，不但线路大为简化，而且各项调速性能均优于传统的绕线异步电动机转子串电阻调速系统，再加上变频器和PLC完善的故障诊断和显示功能，使整个调速系统的可靠性、可维修性得到大幅度提高。1100t变频调速门式起重机电控系统还涉及到PLC、人机界面等器件的自动控制，限于篇幅，均未讨论。
