Technologie de régulation de vitesse par variateur de fréquence et systèmes électriques pour ponts roulants : variateurs VVVF, unités de freinage et solutions de commande par bus
Le système de régulation de vitesse par variateur de fréquence du pont roulant utilise la technologie VVVF (commande vectorielle à tension et fréquence variables) pour entraîner les moteurs asynchrones des trois mécanismes (levage, translatation et rotation), permettant ainsi une régulation continue de la vitesse de 0 à la vitesse nominale et une précision de positionnement de l'ordre de ±2 mm. Le système se compose d'une unité de redressement et de réinjection à frontal actif (AFE), d'un bus commun de courant continu et de variateurs de fréquence pour les trois mécanismes. L'unité AFE permet de réinjecter l'énergie de récupération dans le réseau électrique (taux d'économie d'énergie de 20 % à 35 %) tout en assurant un facteur de puissance supérieur à 0,95. L'unité de freinage est configurée, en fonction de l'inertie des mécanismes, avec un freinage par résistance de dissipation d'énergie ou un freinage par réinjection sur le bus CC commun, afin de répondre aux exigences de freinage rapide du pont roulant et de prévention du glissement du crochet.
I. Architecture du système d'entraînement à variateur de fréquence pour ponts roulants
| organisme | Puissance du moteur (kW) | Modèle de variateur de fréquence | Mode de contrôle | Plage de vitesse | Mode de freinage | Codeur |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Levage (32 tonnes) | 30 | Siemens G120 PM240-2 37 kW | Commande vectorielle SLVC | 0,1 à 7 m/min | Freinage par dissipation d'énergie + freinage mécanique | Incrément de 256 PPR |
| poids lourd | 2×5.5 | Siemens G120 PM240-2 7,5 kW × 2 | Commande V/f | 3 à 30 m/min | Rétroaction sur le bus commun CC | Aucun (en boucle ouverte) |
| petite voiture | 2.2 | Siemens G120 PM240-2 3 kW | Commande V/f | 3 à 20 m/min | Rétroaction sur le bus commun CC | Aucun (en boucle ouverte) |
Le système utilise une configuration à bus commun CC : l'unité de redressement AFE redresse le courant triphasé de 380 V CA en courant continu de 540 V et réinjecte l'énergie récupérée, tandis que les trois variateurs sont alimentés à partir de ce bus commun CC. Le variateur du mécanisme de levage est équipé d'un onduleur de freinage et d'une résistance de freinage, destinés à absorber l'énergie lors des descentes par petits paliers. L'énergie de freinage des ponts principaux et des chariots est réinjectée directement dans le réseau électrique via le bus CC, sans nécessiter de résistance de freinage. Pont roulantTechnologies d'économie d'énergie(Pour plus de détails, voirSolutions d'économie d'énergie pour les grues intelligentes) La solution de commande par rétroaction AFE permet de réaliser une économie d'électricité d'environ 301 TP3T sur l'ensemble du cycle de vie par rapport au freinage par résistance classique.
II. Configuration des composants du circuit principal
Les composants du circuit principal des chariots sont configurés en fonction de la puissance du moteur et du courant nominal, avec des disjoncteurs, des contacteurs et des câbles adaptés. Le disjoncteur de l'alimentation principale est choisi en appliquant un coefficient de 1,2 fois la puissance totale. Voici la liste des configurations pour trois tonnages types :
| composant | Pont roulant de 32 tonnes (2 × 5,5 kW pour le chariot principal + 2,2 kW pour le chariot secondaire + 30 kW pour le levage) | Pont roulant de 50 t (2 × 7,5 kW pour le chariot principal + 5,5 kW pour le chariot secondaire + 55 kW pour le levage) | Pont roulant de 100 tonnes (2 × 11 kW pour le chariot principal + 5,5 kW pour le chariot secondaire + 90 kW pour le mécanisme de levage) |
|---|---|---|---|
| Disjoncteur d'alimentation principale | NSX250F-160A/3P | NSX400F-250A/3P | NSX630F-400A/3P |
| Unité de redressement AFE | ALM-50 kW | ALM-80 kW | ALM-132 kW |
| Reactance de bus CC | 1,5 mH/100 A | 1,2 mH/160 A | 1,0 mH/250 A |
| Résistance de freinage (levage) | 6,8 Ω/12 kW | 5,0 Ω/25 kW | 3,9 Ω/45 kW |
| Contacteur de levage | LC1-D65A | LC1-D95A | LC1-D150A |
| Contacteur pour gros véhicules | LC1-D25A | LC1-D50A | LC1-D65A |
| Transformateur de commande | 380/220 V, 1,5 kVA | 380/220 V, 2 kVA | 380/220 V, 3 kVA |
| Modèle de PLC | S7-1215C | S7-1511 | S7-1515F |
III. Commande par API et communication par bus
Le système de commande électrique du pont roulant utilise un automate programmable Siemens de la série S7-1200/1500 comme contrôleur principal. Il communique via le réseau Ethernet industriel Profinet avec le variateur de fréquence (G120/CU250S-2PN), les E/S distribuées (ET200SP), l'automate de sécurité et l'IHM (panneau Jingzhi). En mode de commande vectorielle du mécanisme de levage, le variateur est équipé d'une carte codeur à double canal pour prendre en charge la double boucle fermée (boucle de vitesse + boucle de position). En mode V/f pour les chariots principaux et secondaires, le PLC permet de définir la vitesse de consigne et de régler les temps d'accélération et de décélération. Le système de commande du pont roulant etSystème de contrôle anti-roulis basé sur l'IA(Pour plus de détails, voirSolution technique de contrôle anti-roulis) partagent le même réseau Profinet : le contrôleur anti-oscillation superpose la correction de vitesse à la consigne de vitesse du variateur.
Les réglages des paramètres du variateur de fréquence de levage ont une incidence directe sur la sécurité des opérations de levage : le temps d'accélération est réglé par défaut entre 3 et 5 s (pour éviter les chocs lors du démarrage à vide), et le temps de décélération est réglé par défaut entre 3 et 5 s (pour s'adapter à la séquence de fonctionnement du frein mécanique). La fréquence de fonctionnement par à-coups à basse vitesse est réglée entre 2 et 5 Hz, ce qui correspond à une vitesse de déplacement de 0,1 à 0,3 m/min. Lors de l'arrêt du levage, le variateur ralentit d'abord jusqu'à 0,5 Hz avant de déclencher la fermeture du frein mécanique, afin d'empêcher le glissement du crochet. Les courbes d'accélération et de décélération en S du pont principal et du chariot permettent de réduire la composante centrifuge du balancement de l'appareil de levage : le confort de démarrage est optimal lorsque le temps de transition de la courbe en S est réglé sur 0,5 s et que la tension de transition est réglée sur 101 TP3T.
L'armoire électrique du pont roulant est conçue selon l'indice de protection IP44 (protection contre la poussière et les projections d'eau) ; elle est équipée d'un thermostat et d'un ventilateur de refroidissement (qui se met en marche à 40 °C). Les variateurs de fréquence pour le levage, le chariot principal, le chariot secondaire et l'automate programmable (PLC) sont disposés dans des compartiments indépendants, reliés entre eux par des passe-câbles pour câbles blindés. Les câbles du circuit principal sont sélectionnés pour supporter 1,25 fois le courant nominal ; les câbles de commande sont de type blindé à paires torsadées (LAPP UNITRONIC LiYCY), la gaine de blindage est mise à la terre à une seule extrémité (côté PLC), et les câbles Profinet sont des câbles Ethernet industriels blindés (Siemens 6XV1840-2AH10).
IV. Avantages de la solution de système électrique de Krud Heavy Industry
Le système de commande électrique des ponts roulants de Krud Heavy Industry est équipé en série d'une architecture de bus Profinet, prend en charge les variateurs Siemens/Schneider/ABB en option, et intègre de série une solution de redressement AFE (facteur de puissance de 0,95 + récupération d'énergie). Les résistances de freinage sont sélectionnées avec un coefficient de sécurité de 1,5 pour les conditions de charge lourde. Avant leur sortie d'usine, les armoires électriques sont soumises à un test de vieillissement sous tension 100% (fonctionnement continu pendant 72 heures). Krud Heavy Industry propose un audit électrique gratuit sur site du système électrique des ponts roulants ainsi qu'un service d'optimisation des paramètres des variateurs de fréquence.
Foire aux questions
问：天车变频调速有什么优势？
A：变频调速相比传统电阻调速，可节能20%~40%、启动平滑减少冲击、降低机械磨损、支持精准定位。大车推荐采用矢量控制变频器，起升机构需用带转矩控制的专用变频器。
问：天车制动单元如何选型？
A：制动单元功率按电机额定功率的30%~50%选型。起重机起升机构制动电阻需按满载下降工况计算热容量。常用制动单元有DBU系列和西门子Braking Module。
问：变频调速系统执行哪些标准？
A：变频器选型参考GB/T 12668系列，电气安全按GB 5226.2，EMC兼容性按GB/T 12668.3。
