Seleção de soluções de regulação de velocidade por inversor e travagem com recuperação de energia para pontes rolantes — Comparação completa entre inversores V/F, vetoriais e DTC + recuperação de energia

Quando o mecanismo de elevação da ponte rolante baixa a carga, o motor entra em modo de geração de energia; além disso, as frequentes acelerações e desacelerações do carro principal e do carro secundário também geram uma grande quantidade de energia de recuperação. O método de controlo por variador de frequência (V/F/vetorial/DTC) determina a precisão da regulação da velocidade e o binário a baixa frequência, enquanto o esquema de travagem (resistência/retroalimentação/barramento comum) determina a forma como a energia de recuperação é tratada. Uma escolha inadequada pode resultar em ganchos de elevação que se soltam, um funcionamento irregular ou um grande desperdício de energia elétrica. O presente artigo compara sistematicamente as opções de seleção técnica para os sistemas de controlo elétrico das pontes rolantes, a partir de duas perspetivas: os modos de controlo por variador de frequência e os esquemas de travagem.

Tabela comparativa para a seleção de métodos de controlo por variador de frequência

Os requisitos essenciais do mecanismo de elevação da grua em relação ao variador de frequência são: binário elevado a baixa frequência (binário nominal de saída ≥ 150% a 0 Hz para evitar o deslizamento do gancho), ampla relação de regulação de velocidade (velocidade de elevação mínima inferior a 0,1 m/min para posicionamento) e resposta rápida de travagem (estabelecimento rápido do binário inverso em caso de paragem de emergência). Os mecanismos de deslocamento (carro principal/carro secundário) exigem uma regulação de velocidade suave, tempos de aceleração e desaceleração ajustáveis e sincronização entre vários motores. Os três modos de controlo a seguir apresentam características próprias.

Controlo V/F (controlo da relação tensão/frequência)Trata-se de um método de controlo em circuito aberto, que controla a velocidade do motor mantendo constante a relação tensão/frequência. A sua estrutura é simples e o custo é mínimo, mas apresenta um binário insuficiente em baixas frequências (entre 0 e 5 Hz, o binário é de apenas 50 a 701 TP3T do valor nominal), baixa precisão de regulação da velocidade (±1~31 TP3T), sendo adequado para mecanismos de deslocamento de pontes rolantes de pequena e média dimensão (carro principal/carro secundário) que não exigem grande precisão. Uma vez que os mecanismos de deslocamento das pontes rolantes apresentam baixas exigências em termos de precisão de regulação da velocidade, o controlo V/F satisfaz plenamente as necessidades de utilização, permitindo ainda uma poupança de 2 000 a 5 000 yuan por cada variador de frequência.

Controlo vetorial (VC)Através de uma transformação de coordenadas, o motor assíncrono é equiparado a um motor de corrente contínua para efeitos de controlo, permitindo controlar simultaneamente a corrente de excitação e a corrente de binário. A 0 Hz, é possível obter um binário nominal superior a 200%, com uma precisão de regulação de velocidade de ±0,01 a 0,5%. O controlo vetorial em circuito fechado com encoder é a configuração padrão do mecanismo de elevação das pontes rolantes — o binário elevado a baixas frequências garante que a partida com carga total não provoque o deslizamento do gancho, enquanto a regulação de velocidade de alta precisão assegura o posicionamento a velocidades muito baixas (0,1 m/min). Os mecanismos de elevação da Krud Heavy Industry vêm equipados de série com controlo vetorial, sendo utilizado um encoder incremental de 1024 PPR.

DTC – Controlo Direto do BinárioTrata-se de uma tecnologia patenteada pela ABB que, através do controlo direto do fluxo magnético e do binário do estator do motor, apresenta o tempo de resposta mais rápido (1 a 5 ms), um binário a 0 Hz que pode atingir 300% e uma precisão de regulação de velocidade de ±0,001%. O DTC permite um controlo de alta precisão mesmo sem encoder (DTC sem sensor de velocidade), sendo a configuração de topo para o controlo servo de precisão de pontes rolantes. Com um custo mais elevado (cerca de 2 a 4 vezes superior ao do V/F), é adequado para cenários de pontes rolantes não tripuladas que exijam um controlo preciso da posição. A Krued Heavy Industry recomenda os variadores DTC da série ACS880 da ABB para configurações de gama alta.

Comparação dos parâmetros técnicos de três esquemas de travagem

O tratamento da energia regenerada é fundamental para a poupança de energia no sistema de controlo eletrónico das pontes rolantes. A energia potencial recuperável quando o mecanismo de elevação desce a carga representa 30 a 40% do consumo energético total da operação de elevação; devolver essa energia à rede elétrica (ou utilizá-la noutras pontes rolantes) permite reduzir significativamente os custos operacionais. Ao selecionar uma solução de travagem, é necessário ter em conta, de forma integrada, a capacidade de elevação, a frequência de elevação, o preço da eletricidade e o período de recuperação do investimento.

A escolha entre as três opções de travagem depende da capacidade de elevação, da frequência de utilização e do orçamento de investimento.Resistência de travagemA conversão da energia recuperada em energia térmica para consumo é a solução mais tradicional e fiável, mas apresenta as desvantagens do desperdício de energia e dos problemas de dissipação de calor dos armários de resistência — cada subida e descida de uma grua de 10 t gera cerca de 50 a 80 kJ de calor na resistência de travagem; no verão, quando várias gruas operam simultaneamente no interior da fábrica, o aumento de temperatura pode atingir os 3 a 5 °C.Recuperação de energia (AFE)Através de um front-end ativo, a energia recuperada é transformada numa onda sinusoidal com a mesma frequência e fase da rede elétrica para ser reinjetada, permitindo uma poupança de energia de 20 a 351 TP3T; no entanto, isto requer uma unidade de reinjeção adicional e um reator de entrada, o que implica custos mais elevados.

Barra de corrente contínua comumO melhor resultado é obtido quando várias pontes rolantes trabalham em conjunto — a energia de recuperação gerada pela descida de carga numa ponte rolante é consumida diretamente pela ponte rolante adjacente ao elevar cargas pesadas, circulando a energia no interior do barramento de corrente contínua. Dados de medições no local: quando quatro pontes rolantes operam simultaneamente, a poupança de energia com a utilização de um barramento comum situa-se entre 15 e 251 TP3T; com a adição de uma unidade de recuperação de energia para absorver o excesso de energia, este valor pode aumentar para 30 a 351 TP3T. O período de recuperação do investimento depende da frequência de operação; em cenários de arranques e paragens frequentes (como nas pontes de lingotamento contínuo das siderurgias), o período de recuperação mais curto é de cerca de 1 ano, enquanto nas oficinas normais é de cerca de 2 anos. A Krud Heavy Industry fornece relatórios de análise de retorno do investimento para ajudar os clientes na tomada de decisões.

Métodos de engenharia para a afinação dos parâmetros do variador de frequência do mecanismo de elevação de pontes rolantes

A regulação dos parâmetros do variador de frequência do mecanismo de elevação da grua afeta diretamente a segurança do transporte e a eficiência operacional. Os parâmetros essenciais incluem cinco categorias:Parâmetros do motor——Potência nominal/tensão/corrente/velocidade de rotação/fator de potência, medidos automaticamente através da autoajustagem do variador de frequência (ajustagem estática de 5 a 10 segundos, ajustagem dinâmica em rotação de 30 a 60 segundos). Recomenda-se a realização de uma calibração dinâmica em rotação para o mecanismo de elevação da grua (com o motor desacoplado da carga, em rotação sem carga), medindo na prática a resistência do estator, a resistência do rotor, a indutância de fuga e a indutância de excitação; a precisão da calibração é 3 a 5 vezes superior à da calibração estática. Parâmetros de entrada para a calibração do controlo vetorial com encoder do Siemens G120: potência indicada na placa de identificação do motor = 11 kW, corrente nominal = 22 A, velocidade nominal = 1460 rpm, fator de potência = 0,82.

Parâmetros de tempo de aceleração e desaceleração——O tempo de aceleração do mecanismo de elevação deve ser definido entre 3 e 6 segundos (se for demasiado rápido, pode provocar o deslizamento do gancho ou o disparo por sobrecorrente; se for demasiado lento, afeta a eficiência), e o tempo de desaceleração deve ser definido entre 3 e 8 segundos (se for demasiado rápido, provoca sobretensão de regeneração; se for demasiado lento, afeta a precisão de posicionamento). A condição restritiva para o tempo de desaceleração é que a tensão do barramento de corrente contínua não exceda 750 VCC (o pico de retificação de 380 VCA é de cerca de 537 V; a energia de regeneração faz com que a tensão no barramento aumente, e a resistência de travagem é ativada quando atinge 680 V). A energia de regeneração atinge o seu máximo quando a grua desce com carga total; o tempo de desaceleração deve ser calculado com base na potência da unidade de travagem e na taxa de carga. Parâmetros padrão da Krud Heavy Industry: mecanismo de elevação de 10 t com aceleração de 4 segundos/desaceleração de 5 segundos; a potência da resistência de travagem é selecionada de acordo com 50% da potência do motor.

Parâmetros de realce de baixas frequências e de prevenção de deslizamento do gancho——No modo de controlo V/F, ativar o aumento de binário a baixa frequência (no P1300, definir para um aumento de 2 pontos; a 0 Hz, a tensão de aumento é de 10 a 151 TP3T do valor nominal); no modo de controlo vetorial, ativar a manutenção do binário à velocidade zero (P1501 definido para manter 150% do binário atual). Sequência de controlo do travão: após receber o comando de arranque, o variador estabelece primeiro a corrente de excitação → a frequência de saída sobe para 3 Hz → o travão é ativado → continua a acelerar até à frequência alvo. Sequência de paragem: o variador reduz a frequência para 0,5 Hz → aguarda 100 ms para confirmar que o motor parou → desativa o travão. A incompatibilidade de temporização é uma causa comum de deslizamento do gancho. O programa de controlo de elevação da Krued Heavy Industry já possui parâmetros de temporização padrão predefinidos; no local, basta ajustar ligeiramente o tempo de espera de acordo com a velocidade de resposta do travão (cerca de 200 a 400 ms para travões mecânicos e cerca de 100 a 200 ms para travões hidráulicos).

Análise do retorno do investimento no sistema de recuperação de energia

A rentabilidade do sistema de recuperação de energia depende de três fatores: a frequência de elevação, a taxa de carga e o preço local da eletricidade. Tomando como exemplo uma grua de 32 t numa linha de fundição contínua: 18 horas de funcionamento por dia, com uma média de 15 elevações e descidas por hora, uma taxa de carga média de 601 TP3T e uma potência do motor de 45 kW. A energia regenerada libertada por cada descida da carga é de aproximadamente 45 kW × 0,6 × 0,7 (coeficiente de eficiência) × (descida completa de cerca de 15 segundos / 3600 horas) = 0,079 kWh. 15 vezes por dia × 18 horas × 0,079 kWh = 21,3 kWh/dia; 330 dias úteis por ano × 21,3 kWh = 7029 kWh/ano. Considerando a tarifa de eletricidade industrial de 0,8 yuan/kWh, a poupança anual de eletricidade por cada guindaste ascende a cerca de 5623 yuan.

O investimento na unidade de recuperação de energia é de cerca de 25 000 yuan (incluindo a unidade de recuperação de energia AFE + reatância de entrada + filtro EMC + instalação e colocação em funcionamento), sendo que o período de recuperação do investimento = 25 000 / 5 623 ≈ 4,4 anos. No entanto, a taxa de poupança de energia real da unidade de recuperação de energia pode ser aumentada para 30 a 35% através da utilização de um barramento comum de corrente contínua. Se quatro pontes rolantes partilharem o barramento comum de corrente contínua e uma unidade de recuperação de energia, o investimento será de cerca de 50 000 yuan (unidade de recuperação de energia: 25 000 + reatores de corrente contínua e barramento: cerca de 25 000), a poupança total anual de eletricidade seria de 4 unidades × 7 029 kWh × 1,3 (coeficiente de eficiência da barra de corrente comum) = 36 551 kWh/ano × 0,8 yuan = 29 241 yuan/ano, com um período de recuperação do investimento de 50 000 / 29 241 ≈ 1,7 anos. Se a frequência de elevação for mais elevada (níveis A7 a A8, mais de 30 ciclos de subida e descida por hora), a poupança anual de energia por unidade é de cerca de 14 000 kWh/ano ≈ 11 000 yuan, sendo o período de recuperação da unidade de recuperação de energia de cerca de 2,3 anos.

A Krude Heavy Industry oferece um serviço gratuito de medição do consumo energético no local durante 7 dias antes da celebração do contrato de remodelação para poupança de energia — instala um analisador de qualidade de energia (Fluke 435 II) no lado do barramento de corrente contínua do variador de frequência, mede os valores reais da energia de recuperação e o potencial de realimentação do mecanismo de elevação, e elabora um relatório de análise do consumo energético e um relatório de avaliação do período de recuperação do investimento. A obra só tem início após a confirmação do cliente, sendo a taxa de poupança de energia verificada através de medições reais durante a aceitação. A Krued Heavy Industry já tem mais de 30 sistemas de realimentação em funcionamento em siderurgias e fundições, com uma taxa média de poupança de energia medida entre 25 e 351 TP3T (solução AFE) ou entre 15 e 251 TP3T (solução de barramento comum), tendo todos atingido ou superado os valores estimados na avaliação preliminar.

Solução de configuração padrão com variador de frequência para pontes rolantes da Krude Heavy Industry

O sistema de controlo de frequência para pontes rolantes da Krude Heavy Industry é dividido em três níveis de configuração padrão, de acordo com a capacidade de elevação e a frequência de operação:Classe económica (classes A1 a A3, ≤ 10 t)——Controlo V/F do mecanismo de elevação + resistência de travagem (ventilador de dissipação de calor no topo do armário), controlo V/F do carro principal/carro secundário + resistência de travagem; equipado de série com variadores da série Siemens G120 ou Huichuan MD280. A potência da resistência de travagem é selecionada de acordo com 30 a 50% da potência do motor de elevação, sendo instalada na parte superior do armário de controlo elétrico; o armário da resistência inclui um interruptor de temperatura (alerta aos 95 °C / corte do circuito de elevação aos 110 °C).

Tipo padrão (classes A4 a A5, 10 a 32 t)——Controlo vetorial do mecanismo de elevação (com encoder, de acordo com os requisitos de precisão de regulação de velocidade previstos na secção 4.2.1 da norma JB/T 9052-2015) + unidade de recuperação de energia, controlo V/F do carro principal/carro secundário + resistência de travagem. O variador de frequência de elevação vem de série com o Siemens G120 (tipo vetorial) ou o Huichuan MD880, sendo o encoder do tipo incremental de 1024 PPR (sinal HTL). A capacidade instalada da unidade de recuperação de energia é selecionada com base em 50~80% da potência do motor de elevação. O sistema de controlo é configurado com PLC + ecrã tátil de 7 polegadas, exibindo parâmetros de funcionamento e registos de avarias. A solução padrão da Krued Heavy Industry já foi fornecida em mais de 120 conjuntos, abrangendo diversos setores, incluindo automóvel, siderurgia e materiais de construção.

Modelo de gama alta (classes A6 a A8, ≥ 32 t ou arranques e paragens frequentes)——Controlo de binário direto (DTC) para elevação + recuperação de energia AFE + barramento CC comum (no caso de várias carruagens), controlo vetorial do carro principal/carro secundário + recuperação de energia. O variador de frequência de elevação vem de série com o ABB ACS880 (DTC) ou o Siemens S120, sendo o codificador do tipo absoluto (EnDat ou SSI, de volta única + múltiplas voltas). A capacidade instalada da unidade de recuperação de energia AFE é selecionada de acordo com a potência do motor de elevação (100%). A solução com barramento de corrente contínua partilhado inclui um módulo de monitorização de isolamento (alerta se o isolamento do barramento em relação à terra for ≤500 kΩ). A solução de gama alta da Krued Heavy Industry já foi fornecida a mais de 30 siderurgias e fundições, com uma poupança de energia comprovada de 25~35%.

Perguntas frequentes