Auswahl von Lösungen für die Frequenzumrichtergesteuerte Drehzahlregelung und die Energierückgewinnungsbremsung bei Laufkränen – Vollständiger Vergleich zwischen V/F-, Vektor- und DTC-Frequenzumrichtern mit Energierückgewinnung

Beim Absenken der Last durch den Hubmechanismus des Laufkrans arbeitet der Motor im Generatormodus, und auch das häufige Beschleunigen und Abbremsen des Haupt- und Nebenwagens erzeugt große Mengen an regenerativer Energie. Die Art der Frequenzumrichtersteuerung (V/F, Vektor, DTC) bestimmt die Drehzahlgenauigkeit und das Drehmoment bei niedrigen Frequenzen, während die Bremskonfiguration (Widerstand, Rückspeisung, gemeinsame Sammelschiene) über die Art der Verwertung der regenerativen Energie entscheidet. Eine ungeeignete Auswahl kann zu einem Abrutschen des Hakens, einem unruhigen Lauf oder einer erheblichen Verschwendung von elektrischer Energie führen. In diesem Artikel werden die technischen Auslegungsoptionen für die elektronische Steuerung von Laufkränen unter den beiden Gesichtspunkten der Frequenzumrichtersteuerung und der Bremskonzepte systematisch verglichen.

Vergleichstabelle zur Auswahl von Frequenzumrichter-Steuerungsarten

Die zentralen Anforderungen an den Frequenzumrichter für den Hubmechanismus eines Laufkrans sind: hohes Drehmoment bei niedrigen Frequenzen (Ausgangsdrehmoment bei 0 Hz ≥ 1501 TP3T Nenn-Drehmoment, um ein Abrutschen des Hakens zu verhindern), breiter Drehzahlregelbereich (Positionierung bei einer Hubgeschwindigkeit von unter 0,1 m/min) sowie schnelle Bremsreaktion (schnelles Aufbauen eines Gegenmoments bei Not-Aus). An die Fahrantriebe (Haupt- und Nebenwagen) werden eine gleichmäßige Drehzahlregelung, einstellbare Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten sowie die Synchronität mehrerer Motoren gestellt. Die folgenden drei Steuerungsarten weisen jeweils eigene Merkmale auf.

V/F-Regelung (Spannungs-Frequenz-Verhältnis-Regelung)Es handelt sich um eine Regelung im offenen Regelkreis, bei der die Motordrehzahl durch Aufrechterhaltung eines konstanten Spannungs-Frequenz-Verhältnisses geregelt wird. Diese Regelung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau und minimale Kosten aus, weist jedoch ein unzureichendes Drehmoment im Niederfrequenzbereich auf (bei 0–5 Hz beträgt das Drehmoment nur 50–701 TP3T des Nennwerts). die Drehzahlregelgenauigkeit ist gering (±1–31 TP3T) und eignet sich für kleine und mittlere Kranantriebe (Haupt- und Nebenfahrwerk), bei denen keine hohen Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden. Da die Anforderungen an die Drehzahlregelgenauigkeit bei Kranantrieben gering sind, erfüllt die V/F-Regelung die Anforderungen voll und ganz, und pro Frequenzumrichter lassen sich zudem Kosten in Höhe von 2.000–5.000 Yuan einsparen.

Vektorsteuerung (VC)Durch eine Koordinatentransformation wird der Asynchronmotor einem Gleichstrommotor gleichgesetzt, wobei sowohl der Erregungsstrom als auch der Drehmomentstrom gesteuert werden. Bei 0 Hz kann ein Nennmoment von mehr als 2001 TP3T ausgegeben werden, die Drehzahlregelungsgenauigkeit liegt bei ±0,01 bis 0,51 TP3T. Die geschlossene Vektorregelung mit Encoder ist Standardausstattung für Kranhubwerke – das hohe Drehmoment bei niedrigen Frequenzen gewährleistet einen ruckfreien Anfahrvorgang unter Volllast, während die hochpräzise Drehzahlregelung eine Positionierung mit minimaler Geschwindigkeit (0,1 m/min) ermöglicht. Die Hubwerke von Krued Heavy Industry sind serienmäßig mit Vektorregelung ausgestattet; als Encoder wird ein inkrementeller Encoder mit 1024 PPR verwendet.

DTC – Direkte DrehmomentsteuerungEs handelt sich um eine von ABB patentierte Technologie, die durch die direkte Steuerung des Magnetflusses und des Drehmoments am Motorstator die schnellste Reaktionszeit (1–5 ms) bietet, ein Drehmoment von bis zu 3001 TP3T bei 0 Hz erreicht und eine Drehzahlregelungsgenauigkeit von ±0,0011 TP3T aufweist. DTC ermöglicht eine hochpräzise Regelung auch ohne Encoder (sensorloses DTC) und stellt die höchste Konfigurationsstufe für die präzise Servosteuerung von Laufkränen dar. Die Kosten sind relativ hoch (etwa das 2- bis 4-Fache der V/F-Regelung), weshalb diese Lösung für den Einsatz in unbemannten Laufkränen geeignet ist, bei denen eine exakte Positionsregelung erforderlich ist. Krud Heavy Industry empfiehlt für High-End-Konfigurationen die DTC-Frequenzumrichter der Serie ACS880 von ABB.

Vergleich der technischen Parameter der drei Bremskonzepte

Die Rückgewinnung von Energie ist der Kern der Energieeinsparung im elektronischen Steuerungssystem von Laufkränen. Die potenzielle Energie, die beim Absenken der Last durch den Hubmechanismus zurückgewonnen werden kann, macht 30 bis 40% des gesamten Energieverbrauchs beim Transport aus. Die Rückspeisung dieser Energie ins Stromnetz (oder deren Nutzung durch andere Laufkräne) kann die Betriebskosten erheblich senken. Bei der Auswahl eines Bremskonzepts müssen Tragfähigkeit, Hubhäufigkeit, Strompreis und Amortisationszeit umfassend berücksichtigt werden.

Die Wahl zwischen den drei Bremsvarianten hängt von der Tragkraft, der Einsatzhäufigkeit und dem Investitionsbudget ab.BremswiderstandDie Umwandlung von regenerativer Energie in Wärmeenergie ist die traditionellste und zuverlässigste Lösung, hat jedoch den Nachteil, dass Energie verschwendet wird und Probleme bei der Wärmeableitung aus den Bremswiderstandsschränken entstehen – bei jedem Hub- und Senkvorgang eines 10-Tonnen-Laufkrans entsteht durch die Bremswiderstände eine Wärme von etwa 50 bis 80 kJ; im Sommer kann der Temperaturanstieg in der Halle 3 bis 5 °C betragen, wenn mehrere Laufkräne gleichzeitig im Einsatz sind.Energie-Rückführung (AFE)Durch die aktive Vorstufe wird die zurückgewonnene Energie in eine Sinuswelle umgewandelt, die in Frequenz und Phase mit dem Stromnetz übereinstimmt, und in dieses zurückgespeist, wodurch 20 bis 351 TP3T Strom eingespart werden. Allerdings sind hierfür zusätzliche Rückspeiseeinheiten und Eingangsdrosseln erforderlich, was mit höheren Kosten verbunden ist.

Gemeinsame Gleichstrom-SammelschieneDie beste Wirkung wird erzielt, wenn mehrere Laufkräne koordiniert zusammenarbeiten – die durch das Absenken einer Last durch einen Kran erzeugte regenerative Energie wird direkt von einem benachbarten Kran beim Heben einer Last verbraucht, wobei die Energie innerhalb der Gleichstrom-Sammelschiene zirkuliert. Messdaten aus der Praxis: Bei gleichzeitigem Betrieb von vier Laufkränen beträgt die Energieeinsparung durch die gemeinsame Sammelschiene etwa 15 bis 251 TP3T; durch den Einsatz einer Rückspeiseeinheit, die überschüssige Energie aufnimmt, lässt sich diese auf 30 bis 351 TP3T steigern. Die Amortisationszeit hängt von der Betriebshäufigkeit ab: Bei häufigen Start- und Stoppvorgängen (z. B. in der Stranggussanlage eines Stahlwerks) beträgt die Amortisationszeit mindestens etwa ein Jahr, in einer normalen Werkhalle etwa zwei Jahre. Krud Heavy Industry stellt einen Bericht zur Investitionsrentabilität zur Verfügung, um Kunden bei der Entscheidungsfindung zu unterstützen.

Methoden zur Parametereinstellung von Frequenzumrichtern für Kranhubwerke

Die Parametereinstellung des Frequenzumrichters des Hubwerks einer Laufkrananlage wirkt sich unmittelbar auf die Sicherheit beim Transport und die Betriebseffizienz aus. Zu den Kernparametern gehören fünf Kategorien:Motorparameter——Nennleistung/Nennspannung/Nennstrom/Drehzahl/Leistungsfaktor werden automatisch durch Selbstoptimierung des Frequenzumrichters gemessen (statische Optimierung 5–10 Sekunden, dynamische Optimierung im Drehbetrieb 30–60 Sekunden). Für den Hubmechanismus von Laufkränen wird eine dynamische Rotationsabstimmung empfohlen (Motor von der Last getrennt, Leerlaufdrehung), bei der der Statorwiderstand, der Rotorwiderstand, die Streuinduktivität und die Erregungsinduktivität gemessen werden; die Abstimmungsgenauigkeit ist dabei 3–5-mal höher als bei der statischen Abstimmung. Eingabeparameter für die Kalibrierung der encodergesteuerten Vektorregelung des Siemens G120: Nennleistung laut Typenschild = 11 kW, Nennstrom = 22 A, Nenndrehzahl = 1460 U/min, Leistungsfaktor = 0,82.

Parameter für die Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten——Die Beschleunigungszeit des Hubwerks ist auf 3 bis 6 Sekunden eingestellt (eine zu schnelle Beschleunigung führt zu einem Durchrutschen des Hakens oder zu einer Überstromabschaltung, eine zu langsame beeinträchtigt die Effizienz), die Verzögerungszeit auf 3 bis 8 Sekunden (eine zu schnelle Verzögerung führt zu einer Überspannung bei der Energierückgewinnung, eine zu langsame beeinträchtigt die Positioniergenauigkeit). Die Einschränkung für die Verzögerungszeit besteht darin, dass die Gleichstrom-Sammelschienenspannung 750 VDC nicht überschreiten darf (der Gleichrichterspitzenwert bei 380 VAC beträgt ca. 537 V; die regenerierte Energie lässt die Sammelschienenspannung ansteigen, und der Bremswiderstand wird bei 680 V zugeschaltet). Die regenerative Energie ist beim Absenken des Laufkrans unter Volllast am größten; die Verzögerungszeit muss entsprechend der Leistung der Bremseinheit und der Auslastung berechnet werden. Standardparameter von Krude Heavy Industry: 10-t-Hubwerk mit 4 Sekunden Beschleunigung und 5 Sekunden Verzögerung; die Leistung des Bremswiderstands wird entsprechend der Motorleistung (50%) ausgewählt.

Parameter für die Tieftonanhebung und die Anti-Slip-Funktion– Im V/F-Regelungsmodus ist die Drehmomentverstärkung bei niedrigen Frequenzen aktiviert (P1300 ist auf 2-Punkt-Verstärkung eingestellt; bei 0 Hz beträgt die Verstärkungsspannung 10 bis 151 TP3T des Nennwerts), im Vektorregelungsmodus ist die Drehmomenthaltung bei Stillstand aktiviert (P1501 ist auf 150% des aktuellen Drehmoments eingestellt). Bremssteuerungsablauf: Nach Erhalt des Startbefehls baut der Frequenzumrichter zunächst den Erregerstrom auf → die Ausgangsfrequenz steigt auf 3 Hz → die Bremse wird aktiviert → die Beschleunigung wird bis zur Zielfrequenz fortgesetzt. Stoppablauf: Der Frequenzumrichter senkt die Frequenz auf 0,5 Hz → wartet 100 ms, um sicherzustellen, dass der Motor zum Stillstand gekommen ist → die Bremse wird deaktiviert. Eine nicht abgestimmte Zeitsequenz ist eine häufige Ursache für das „Durchrutschen“ der Haken. Das Hubsteuerungsprogramm von Krud Heavy Industry verfügt über voreingestellte Standardparameter für die Zeitsequenz; vor Ort muss lediglich die Wartezeit entsprechend der Reaktionsgeschwindigkeit der Bremse feinjustiert werden (ca. 200–400 ms bei mechanischen Bremsen, ca. 100–200 ms bei hydraulischen Bremsen).

Analyse der Investitionsrendite von Energierückgewinnungssystemen

Der wirtschaftliche Nutzen eines Energierückgewinnungssystems hängt von drei Faktoren ab: der Häufigkeit der Hubbewegungen, der Auslastung und den örtlichen Strompreisen. Nehmen wir als Beispiel eine 32-t-Kranbrücke in einer Stranggussanlage: 18 Betriebsstunden pro Tag, durchschnittlich 15 Hub- und Senkbewegungen pro Stunde, durchschnittliche Auslastung von 601 TP3T, Motorleistung 45 kW. Die bei einem Absenkvorgang freigesetzte regenerative Energie beträgt etwa 45 kW × 0,6 × 0,7 (Wirkungsgrad) × (Absenken über den gesamten Hubweg in ca. 15 Sekunden / 3.600 Stunden) = 0,079 kWh. 15 Mal pro Stunde × 18 Stunden × 0,079 kWh = 21,3 kWh/Tag; bei 330 Arbeitstagen pro Jahr × 21,3 kWh = 7.029 kWh/Jahr. Bei einem Industriestromtarif von 0,8 Yuan/kWh beträgt die jährliche Stromeinsparung pro Kran etwa 5.623 Yuan.

Die Investition in die Rückspeiseeinheit beträgt etwa 25.000 Yuan (einschließlich AFE-Rückspeiseeinheit + Eingangsdrossel + EMV-Filter + Installation und Inbetriebnahme); die Amortisationszeit beträgt 25.000 / 5.623 ≈ 4,4 Jahre. Die tatsächliche Stromeinsparungsrate der Rückspeiseeinheit lässt sich jedoch durch eine gemeinsame Gleichstrom-Sammelschiene auf 30–35 % steigern. Bei vier Laufkränen, die sich eine Gleichstrom-Sammelschiene teilen, und einer Rückspeiseeinheit belaufen sich die Investitionen auf etwa 50.000 Yuan (Rückspeiseeinheit 25.000 Yuan + Gleichstromdrossel und Sammelschiene etwa 25.000 Yuan), beträgt die jährliche Gesamtstromeinsparung 4 Kräne × 7.029 kWh × 1,3 (Effizienzkoeffizient der gemeinsamen Sammelschiene) = 36.551 kWh/Jahr × 0,8 Yuan = 29.241 Yuan/Jahr, die Amortisationszeit beträgt 50.000 / 29.241 ≈ 1,7 Jahre. Bei einer höheren Hubhäufigkeit (Klasse A7 bis A8, mehr als 30 Hub- und Senkvorgänge pro Stunde) beträgt die jährliche Stromeinsparung pro Einheit ca. 14.000 kWh/Jahr ≈ 11.000 Yuan, die Amortisationszeit der Rückspeiseeinheit beträgt ca. 2,3 Jahre.

Vor dem Abschluss eines Vertrags über eine energetische Sanierung bietet Krude Heavy Industry einen kostenlosen 7-tägigen Vor-Ort-Service zur Energieverbrauchsmessung an – dabei wird ein Stromqualitätsanalysator (Fluke 435 II) an der Gleichstrom-Sammelschiene des Frequenzumrichters installiert, um die regenerierte Energie und das Rückführungspotenzial des Hubwerks zu messen und einen Energieverbrauchsbericht sowie eine Bewertung der Amortisationszeit zu erstellen. Die Arbeiten werden erst nach Bestätigung durch den Kunden durchgeführt; bei der Abnahme wird die Stromeinsparungsrate anhand von Messwerten überprüft. Bei Krude Heavy Industry sind bereits mehr als 30 Rückspeisesysteme in Stahlwerken und Gießereien in Betrieb. Die durchschnittliche, tatsächlich gemessene Stromeinsparung liegt bei 25 bis 351 TP3T (AFE-Lösung) bzw. 15 bis 251 TP3T (gemeinsame Sammelschienenlösung), wobei alle Werte die Ergebnisse der Vorabbewertung erreichen oder übertreffen.

Standardkonfiguration für Frequenzumrichter bei Krued Heavy Industry-Krananlagen

Die Frequenzumrichter-Steuerungssysteme für Krananlagen von Krude Heavy Industry werden je nach Tragkraft und Betriebshäufigkeit in drei Standardkonfigurationsstufen unterteilt:Economy-Klasse (Klasse A1–A3, ≤ 10 t)– V/F-Steuerung des Hubwerks + Bremswiderstand (Kühlventilator auf dem Schaltschrankdach), V/F-Steuerung des Haupt- und Nebenfahrwerks + Bremswiderstand; serienmäßig mit Frequenzumrichtern der Baureihen Siemens G120 oder Huichuan MD280. Die Leistung der Bremswiderstände wird entsprechend 30–50 % der Leistung des Hubmotors ausgewählt (%) und auf dem Dach des Schaltschranks installiert; der Widerstandsschrank ist mit einem Temperaturschalter ausgestattet (Alarm bei 95 °C / Abschaltung des Hubkreises bei 110 °C).

Standardausführung (Klasse A4–A5, 10–32 t)——Vektorsteuerung des Hubwerks (mit Encoder, gemäß den Anforderungen an die Drehzahlregelungsgenauigkeit nach JB/T 9052-2015, Abschnitt 4.2.1) + Energierückführungseinheit, V/F-Regelung für Haupt- und Nebenkran + Bremswiderstand. Als Standard-Hubeinrichtungs-Frequenzumrichter kommen der Siemens G120 (Vektorregelung) oder der Huichuan MD880 zum Einsatz, als Encoder wird ein inkrementeller Encoder mit 1024 PPR (HTL-Signal) verwendet. Die installierte Leistung der Energierückführungseinheit wird entsprechend der Leistung des Hubmotors (50–801 TP3T) ausgewählt. Das Steuerungssystem besteht aus einer SPS und einem 7-Zoll-Touchscreen, auf dem Betriebsparameter und Fehlerprotokolle angezeigt werden. Von der Standardlösung von Krued Heavy Industry wurden bereits mehr als 120 Anlagen ausgeliefert, die in verschiedenen Branchen wie der Automobilindustrie, der Stahlindustrie und der Baustoffindustrie zum Einsatz kommen.

Hochleistungsausführung (Klasse A6–A8, ≥ 32 t oder häufiges Anfahren und Anhalten)——Hubantrieb: DTC (Direct Torque Control) + AFE-Energierückführung + gemeinsame Gleichstrom-Sammelschiene (bei mehreren Fahrzeugen), Vektorregelung für Haupt- und Nebenwagen + Energierückführung. Als Standard-Hubeinrichtungs-Frequenzumrichter kommen der ABB ACS880 (DTC) oder der Siemens S120 zum Einsatz, bei den Encodern werden Absolutwertgeber (EnDat oder SSI, Ein-Umdrehungs- und Mehrumdrehungs-Typen) verwendet. Die installierte Leistung der AFE-Rückkopplungseinheit wird entsprechend der Leistung des Hubmotors (100%) ausgewählt. Die Lösung mit gemeinsamer Gleichstrom-Sammelschiene verfügt über ein Isolationsüberwachungsmodul (Alarm bei einer Isolation der Sammelschiene gegen Erde von ≤ 500 kΩ). Von der High-End-Lösung von Krued Heavy Industry wurden bereits mehr als 30 Anlagen an Stahlwerke und Gießereien ausgeliefert, wobei in Praxistests Energieeinsparungen von 25 bis 351 TP3T gemessen wurden.

Häufig gestellte Fragen