Выбор схемы регулирования скорости с помощью частотно-регулируемого привода и торможения с рекуперацией энергии — полное сравнение преобразователей частоты V/F, векторных и DTC + рекуперация

Когда подъемный механизм мостового крана опускает груз, электродвигатель работает в режиме генерации электроэнергии; частые ускорения и замедления главной и поперечной кареток также генерируют значительное количество рекуперируемой энергии. Режим управления с частотным преобразователем (V/F, векторный, DTC) определяет точность регулирования скорости и крутящий момент на низких частотах, а схема торможения (резистивное торможение, рекуперативное торможение, общая шина) — способ утилизации рекуперируемой энергии. Неправильный выбор может привести к застреванию подъемного крюка, неплавному ходу или значительным потерям электроэнергии. В данной статье проводится систематическое сравнение вариантов проектирования систем электронного управления кранами с двух точек зрения: режимов управления с частотным преобразователем и схем торможения.

Сравнительная таблица выбора режимов управления с частотным преобразователем

Основные требования к частотно-регулируемому преобразователю для подъемного механизма мостового крана: высокий крутящий момент на низких частотах (выходной крутящий момент при 0 Гц ≥ 150% номинального крутящего момента для предотвращения соскальзывания крюка), широкий диапазон регулирования скорости (минимальная скорость подъема не более 0,1 м/мин для позиционирования), быстрая реакция торможения (быстрое формирование обратного крутящего момента при аварийной остановке). К ходовым механизмам (крановая тележка/поворотная тележка) предъявляются требования: плавная регулировка скорости, регулируемое время разгона и торможения, а также синхронность работы нескольких двигателей. Нижеприведенные три режима управления имеют свои особенности.

Управление V/F (управление соотношением напряжение/частота)Это метод управления с открытым контуром, при котором скорость вращения двигателя регулируется за счет поддержания постоянного соотношения напряжения и частоты. Он отличается простой конструкцией и минимальной стоимостью, однако имеет недостаточный крутящий момент на низких частотах (в диапазоне 0–5 Гц крутящий момент составляет всего 50–701 TP3T от номинального значения), низкая точность регулирования скорости (±1–31 TP3T), подходит для ходовых механизмов (больших и малых тележек) небольших и средних кранов, к которым не предъявляются высокие требования к точности. Поскольку к ходовым механизмам кранов предъявляются невысокие требования к точности регулирования скорости, управление V/F полностью удовлетворяет эксплуатационным потребностям, а каждый преобразователь частоты позволяет сэкономить 2000–5000 юаней.

Векторное управление (VC)Благодаря преобразованию координат асинхронный двигатель эквивалентен двигателю постоянного тока: одновременно регулируются ток возбуждения и ток крутящего момента; при частоте 0 Гц обеспечивается выходной крутящий момент, превышающий 2001 TP3T от номинального значения, а точность регулирования скорости составляет ±0,01–0,51 TP3T. Векторное управление с замкнутым контуром и энкодером является стандартной конфигурацией подъемного механизма крана — низкочастотный большой крутящий момент гарантирует запуск под полной нагрузкой без проскальзывания крюка, а высокая точность регулирования скорости обеспечивает позиционирование с микроскопической скоростью (0,1 м/мин). Подъемные механизмы компании «Круд Хеви Индастриз» в стандартной комплектации оснащены векторным управлением, а в качестве энкодера используется инкрементный тип с разрешением 1024 PPR.

DTC — система прямого управления крутящим моментомЭто запатентованная технология ABB, которая обеспечивает максимально быстрое время отклика (1–5 мс) за счет прямого управления магнитным потоком и крутящим моментом статора двигателя; крутящий момент при 0 Гц может достигать 3001 TP3T, а точность регулирования скорости составляет ±0,0011 TP3T. DTC позволяет обеспечить высокую точность управления даже без датчика скорости (бездатчиковый DTC) и представляет собой наивысшую конфигурацию для прецизионного сервоуправления кранами. Стоимость этой технологии выше (примерно в 2–4 раза по сравнению с V/F-регулированием), она подходит для сценариев использования беспилотных кранов, требующих точного управления положением. Компания «Круд Хеви Индастриз» рекомендует для высококлассных конфигураций преобразователи частоты серии ABB ACS880 с технологией DTC.

Сравнение технических параметров трёх схем торможения

Рекуперация энергии является ключевым элементом энергосбережения в системе электронного управления краном. Потенциальная энергия, рекуперируемая при опускании груза подъемным механизмом, составляет 30–40% от общего энергопотребления при подъеме груза; возвращение этой энергии в электросеть (или использование её другими кранами) позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы. При выборе схемы торможения необходимо комплексно учитывать грузоподъёмность, частоту подъёма, стоимость электроэнергии и срок окупаемости инвестиций.

Выбор одного из трёх вариантов тормозной системы зависит от грузоподъёмности, частоты эксплуатации и инвестиционного бюджета.Тормозной резисторПреобразование рекуперируемой энергии в тепловую — это самый традиционный и надежный вариант, однако его недостатками являются потери энергии и проблема отвода тепла от резистивных шкафов: при одном цикле подъема и опускания 10-тонного крана тепло, выделяемое тормозными резисторами, составляет примерно 50–80 кДж, а летом, когда в цехе одновременно работают несколько кранов, повышение температуры может достигать 3–5 °C.Рекуперация энергии (AFE)С помощью активного преобразователя регенерируемая энергия преобразуется в синусоидальный сигнал, синхронный по частоте и фазе с сетевым напряжением, и возвращается в сеть, что позволяет сэкономить 20–351 TP3T электроэнергии, однако для этого требуются дополнительные модули обратной подачи и входные дроссели, что повышает стоимость.

Общая шина постоянного токаНаилучший эффект достигается при совместной работе нескольких кранов — энергия, восстанавливаемая при опускании груза одним краном, напрямую расходуется соседним краном при подъеме груза, при этом энергия циркулирует внутри шины постоянного тока. Данные полевых испытаний: при одновременной работе 4 кранов экономия электроэнергии при использовании общей шины составляет около 15–251 TP3T, а с добавлением одного блока рекуперации, поглощающего избыточную энергию, этот показатель может быть повышен до 30–351 TP3T. Срок окупаемости инвестиций зависит от частоты работы: в условиях частых запусков и остановок (например, на участке непрерывной литья на металлургическом заводе) срок окупаемости составляет примерно 1 год, а в обычных цехах — около 2 лет. Компания «Круд Хеви Индастри» предоставляет отчет по анализу рентабельности инвестиций, чтобы помочь клиентам принять решение.

Методика настройки параметров частотно-регулируемого привода подъемного механизма мостового крана

Настройка параметров частотно-регулируемого преобразователя подъемного механизма крана напрямую влияет на безопасность подъема грузов и эффективность работы. Основные параметры делятся на пять категорий:Характеристики электродвигателя——Номинальная мощность/напряжение/ток/частота вращения/коэффициент мощности измеряются автоматически посредством самонастройки преобразователя частоты (статическая настройка — 5–10 секунд, динамическая настройка при вращении — 30–60 секунд). Для подъемного механизма крана рекомендуется проводить динамическую настройку при вращении (с отключенным двигателем и без нагрузки, вращение без нагрузки), измеряя сопротивление статора, сопротивление ротора, рассеяние и индуктивность возбуждения; точность такой настройки в 3–5 раз выше, чем при статической настройке. Входные параметры для настройки векторного управления с датчиком положения Siemens G120: мощность по паспортной табличке двигателя = 11 кВт, номинальный ток = 22 А, номинальная частота вращения = 1460 об/мин, коэффициент мощности = 0,82.

Параметры времени ускорения и замедления——Время ускорения подъемного механизма устанавливается на 3–6 секунд (слишком быстрое ускорение приводит к соскальзыванию крюка или срабатыванию защитного выключателя по перегрузке по току, слишком медленное — снижает эффективность), время замедления — на 3–8 секунд (слишком быстрое замедление приводит к перенапряжению при рекуперации, слишком медленное — снижает точность позиционирования). Ограничивающим условием для времени замедления является то, что напряжение на шине постоянного тока не должно превышать 750 В постоянного тока (пиковое значение выпрямленного напряжения 380 В переменного тока составляет примерно 537 В; энергия рекуперации приводит к повышению напряжения на шине, а тормозной резистор включается при напряжении 680 В). Максимальная энергия рекуперации достигается при опускании крана с полной нагрузкой; время замедления необходимо рассчитывать с учётом мощности тормозного блока и коэффициента загрузки. Стандартные параметры компании «Круд Хеви Индастри»: подъёмный механизм грузоподъёмностью 10 т — разгон 4 секунды/замедление 5 секунд; мощность тормозного резистора выбирается в диапазоне 50–100 % от мощности двигателя.

Параметры усиления низких частот и защиты от соскальзывания крючка——В режиме управления V/F включено повышение крутящего момента на низких частотах (в P1300 установлено 2-ступенчатое повышение; при 0 Гц повышение напряжения составляет 10–15% от номинального значения), в режиме векторного управления включено поддержание крутящего момента при нулевой скорости (параметр P1501 установлен на 150% от текущего момента). Последовательность управления тормозом: после получения команды запуска преобразователь частоты сначала формирует ток возбуждения → выходная частота повышается до 3 Гц → включается тормоз → продолжается ускорение до заданной частоты. Последовательность остановки: преобразователь частоты снижает частоту до 0,5 Гц → выдерживается пауза 100 мс для подтверждения остановки двигателя → отключается тормоз. Несоответствие временных параметров является частой причиной проскальзывания. В программе управления подъемными механизмами компании Krud Heavy Industry уже предустановлены стандартные параметры временных параметров; на месте требуется лишь незначительная настройка времени ожидания в зависимости от скорости срабатывания тормоза (для механического тормоза — примерно 200–400 мс, для гидравлического тормоза — примерно 100–200 мс).

Анализ рентабельности инвестиций в систему рекуперации энергии

Экономическая эффективность системы рекуперации энергии зависит от трёх факторов: частоты подъёма, коэффициента загрузки и местных тарифов на электроэнергию. Возьмём в качестве примера 32-тонный мостовой кран на линии непрерывной литья: он работает 18 часов в сутки, в среднем выполняет 15 подъёмов и опусканий в час, средний коэффициент загрузки составляет 60%, а мощность электродвигателя — 45 кВт. Энергия, рекуперируемая при одном опускании груза, составляет примерно 45 кВт × 0,6 × 0,7 (коэффициент эффективности) × (опускание на полный ход занимает примерно 15 секунд / 3600 часов) = 0,079 кВт·ч. 15 циклов в час × 18 часов × 0,079 кВт·ч = 21,3 кВт·ч в сутки; 330 рабочих дней в году × 21,3 кВт·ч = 7029 кВт·ч в год. При промышленном тарифе на электроэнергию 0,8 юаня/кВт·ч годовая экономия электроэнергии на одном кране составляет около 5623 юаней.

Инвестиции в блок рекуперации составляют примерно 25 000 юаней (включая блок рекуперации AFE + входной реактор + фильтр ЭМС + монтаж и наладку), срок окупаемости = 25 000 / 5 623 ≈ 4,4 года. Однако фактическая эффективность экономии электроэнергии блока рекуперации может быть повышена до 30–35 % за счёт использования общей шины постоянного тока. Если 4 крана используют общую шину постоянного тока + 1 блок рекуперации, инвестиции составят около 50 000 юаней (блок рекуперации — 25 000 юаней + реактор постоянного тока и шина — около 25 000 юаней), годовая общая экономия электроэнергии составит 4 крана × 7029 кВт·ч × 1,3 (коэффициент эффективности общей шины) = 36 551 кВт·ч/год × 0,8 юаня = 29 241 юаня/год, срок окупаемости = 50 000 / 29 241 ≈ 1,7 года. Если частота подъёмов выше (уровни A7–A8, более 30 подъёмов и опусканий в час), годовая экономия электроэнергии на одном кране составит примерно 14 000 кВт·ч/год ≈ 11 000 юаней, а срок окупаемости блока рекуперации — примерно 2,3 года.

Перед заключением контракта на энергосберегающую модернизацию компания «Круд Хеви Индастриз» предоставляет бесплатную 7-дневную услугу по измерению энергопотребления на месте — устанавливает анализатор качества электроэнергии (Fluke 435 II) на стороне постоянного тока частотно-регулируемого преобразователя, проводит измерение значений рекуперативной энергии подъемного механизма и потенциала ее возврата, а также предоставляет отчет по анализу энергопотребления и оценке срока окупаемости инвестиций. Работы начинаются только после подтверждения со стороны заказчика, а при приемке результатов проводится проверка фактической экономии электроэнергии. Компания «Круд Хеви Индастриз» уже имеет более 30 комплектов систем рекуперации энергии, эксплуатируемых на металлургических и литейных заводах; средний фактический коэффициент экономии электроэнергии составляет 25–351 TP3T (вариант AFE) или 15–251 TP3T (вариант с общей шиной), причем все показатели соответствуют или превышают значения, указанные в предварительной оценке.

Стандартная конфигурация частотно-регулируемого привода для кранов компании «Круд Хеви Индастри»

Системы управления частотными преобразователями для кранов компании «Круд Хеви Индастриз» подразделяются на три уровня стандартной комплектации в зависимости от грузоподъемности и частоты работы:Эконом-класс (классы A1–A3, ≤10 т)——V/F-регулирование подъемного механизма + тормозной резистор (вентилятор охлаждения на крыше шкафа), V/F-регулирование большого и малого кранов + тормозной резистор, в стандартной комплектации — частотно-регулируемые приводы серии Siemens G120 или Huichuan MD280. Мощность тормозного резистора выбирается в диапазоне 30–50 % от мощности подъемного двигателя (1TP–3T), он устанавливается на верхней части электрического шкафа, а резисторный шкаф оснащен температурным выключателем (сигнализация при 95 °C / отключение цепи подъема при 110 °C).

Стандартный тип (классы A4–A5, 10–32 т)——Векторное управление подъемным механизмом (с энкодером, в соответствии с требованиями к точности регулирования скорости, изложенными в пункте 4.2.1 стандарта JB/T 9052-2015) + блок рекуперации энергии, управление скоростью и напряжением (V/F) для главного и вспомогательного кранов + тормозной резистор. В качестве подъемного преобразователя частоты в стандартной комплектации используется Siemens G120 (векторный тип) или Huichuan MD880, в качестве энкодера — инкрементный тип 1024PPR (сигнал HTL). Мощность блока рекуперации энергии подбирается в диапазоне 50–801 TP3T в зависимости от мощности подъемного двигателя. Система управления состоит из ПЛК и 7-дюймового сенсорного экрана, на котором отображаются рабочие параметры и журнал неисправностей. Стандартные решения компании Krued Heavy Industry уже поставлены в количестве более 120 комплектов и используются в различных отраслях, включая автомобилестроение, металлургию и производство строительных материалов.

Высокопроизводительный тип (классы A6–A8, ≥32 т или частые пуски и остановки)——Подъем: прямое управление крутящим моментом (DTC) + рекуперация энергии AFE + общая шина постоянного тока (при использовании нескольких тележек), векторное управление большим и малым кранами + рекуперация энергии. В качестве стандартного оборудования для подъемного частотно-регулируемого преобразователя используется ABB ACS880 (DTC) или Siemens S120, в качестве энкодера выбирается абсолютный тип (EnDat или SSI, однооборотный + многооборотный). Установленная мощность блока рекуперации AFE подбирается в соответствии с мощностью подъемного двигателя 100%. Схема с общей шиной постоянного тока оснащена модулем контроля изоляции (сигнализация при изоляции шины относительно земли ≤500 кОм). Более 30 комплектов высокотехнологичных решений компании «Круд Хеви Индастри» уже поставлены на металлургические и литейные заводы, где по результатам измерений была достигнута экономия электроэнергии в диапазоне 25–35%.

Часто задаваемые вопросы