Der Klemmkran ist eine Schlüsselkomponente im Vorwalz- und Knüppelöffnungsprozess von Stahlwerken. Dieser Artikel beschreibt systematisch das Prinzip der Gleichstrom-Drehzahlregelung und die Eigenschaften des volldigitalen Treibers Mentor II. Der Mentor II-Treiber wird im elektrischen System des Klemmkrans eingesetzt. Das modifizierte System zeichnet sich durch eine einfache Struktur, Wartungsfreundlichkeit, reduzierte Systemverluste und eine signifikante Produktivitätssteigerung aus und bietet gute Marktchancen. 1 Einleitung: Der Klemmkran ist eine Schlüsselkomponente im Vorwalz- und Knüppelöffnungsprozess und dient zum Anheben von warmen und kalten Stahlknüppeln über den Glühofen. Die hohen Temperaturen, die große Menge an Metallstaub, die hohe Last und die starken Vibrationen stellen hohe Anforderungen an die elektrische Steuerung. Das ursprüngliche elektrische System des Klemmkrans im Walzwerk der Wuyang Iron and Steel Company basierte auf einer Gleichstromversorgung von 6 kV/170 V, die auf 220 V DC gleichgerichtet wurde. Diese Spannung wurde zur Gleitschiene und anschließend zum Schaltschrank des Klemmkrans geführt. Die einzelnen Mechanismen nutzten eine segmentierte Drehzahlregelung über Reihenwiderstände. Die Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Motors sowie die Geschwindigkeit jedes Segments werden von der Hauptsteuerung in der Fahrerkabine geregelt, die die Hauptschütze und Relais jedes Segments ansteuert. Dieses Verfahren erfordert viele Schütze und Widerstände, was aufgrund der häufigen Schützbetätigung zu einer hohen Ausfallrate führt. Der hohe Widerstand bedingt zudem einen hohen Energieverbrauch und eine hohe Temperaturentwicklung. Die in China erhältlichen Klemmkrane verwenden alle eine Gleichstrom-Schlittenschienen-Serienwiderstandsregelung. Obwohl die Steuerschaltung einfach ist, weisen die Schaltwiderstände eine hohe Ausfallrate auf, verbrauchen viel Energie und die Geschwindigkeitsregelung ist nicht gleichmäßig, was zu einem instabilen Betrieb führt. Unter den aktuellen Produktionsbedingungen genügt dieses Steuerungsverfahren bei Weitem nicht den Anforderungen einer effizienten Großserienfertigung. Die Grundidee der volldigitalen Umrüstung des elektrischen Systems von Klemmkranen besteht darin, alle bisherigen Schütze, Drehzahlreglerwiderstände und Bremswiderstände zu eliminieren. Ein volldigitaler MentorII-Treiber mit Gleichstrom-Drehzahlregelung wird direkt am Klemmkran installiert, und die Geschwindigkeit wird durch Regelung der an jedem Motor anliegenden Spannung eingestellt. Dies wandelt das System in ein digitales System mit einfacher Hardwarestruktur, stabiler Leistung, Beständigkeit gegenüber hohen Temperaturen, Staub und Vibrationen, stufenloser Drehzahlregelung und stabilem Betrieb um. 2. Prinzip der Gleichstrom-Drehzahlregelung: Eine einphasige Stromversorgung speist eine vollgesteuerte Thyristorbrücke. Der im ohmschen Lastwiderstand erzeugte Strom ist diskontinuierlich. Strom fließt, wenn der Thyristor gezündet wird, und verschwindet, wenn die Versorgungsspannung in jeder Halbperiode Null durchläuft. Bei maximal vorverlegtem Zündwinkel erreicht die Gleichrichterbrücke die maximale Ausgangsspannung, d. h. α in Abbildung 1 wird 0. Der Ausgangsstrom nimmt ab, wenn der Zündwinkel zurückverlegt wird. Bei induktiver Last, wie z. B. einem Motor, oder bei maximal vorverlegtem Zündwinkel wird der Strom kontinuierlich, wie in Abbildung 1 dargestellt. Der Grundstrom eilt der Spannung nach, was teils auf die induktiven Eigenschaften der Last und teils auf die Zündwinkelverzögerung zurückzuführen ist. Abbildung 1 zeigt die Kennlinie einer einphasigen, vollgesteuerten Thyristorbrücke, die eine hochinduktive Last versorgt. α = Thyristor-Zündwinkel. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Drehrichtung des Motors umzukehren, abhängig von der Konfiguration der Gleichrichterbrücke des Treibers. Die einfachste dreiphasige, vollgesteuerte Brücke kann die Ausgangspolarität nicht umkehren. Dieser Typ wird als Einquadrant- oder irreversibler Treiber bezeichnet. Für Anwendungen, die eine vollständige Steuerung des Motors in beide Richtungen sowie die Möglichkeit einer schnellen und häufigen Änderung der Drehmomentrichtung erfordern, muss ein antiparalleles Zweibrückensystem verwendet werden (siehe Abbildung 2). Diese Konfiguration benötigt keinen Wendeschütz und kann die Vorwärts- und Rückwärtsdrehung sowie das Vorwärts- und Rückwärtsbremsen des Motors vollständig steuern; sie wird als Vierquadrant- oder reversibler Treiber bezeichnet (siehe Abbildung 3). Wenn der irreversible Treiber gebremst werden muss, ist ein externer regenerativer Bremskreis erforderlich. Unabhängig davon, ob der Treiber ein- oder vierquadrantig ist, ist das Motorverhalten im Wesentlichen eine Funktion der Ausgangsspannung, die durch den Zündwinkel der Thyristorbrücke bestimmt wird. Der Zündwinkel kann präzise gesteuert werden. Die Qualität des Motoransprechverhaltens hängt von der Fähigkeit der Ansteuerlogik ab, alle Daten zum aktuellen und gewünschten Motorzustand zu empfangen, zu interpretieren und zu verarbeiten. Einige dieser Daten stammen von externen Quellen, wie z. B. Drehzahl- und Drehmoment-Sollwerte sowie Drehzahlrückmeldungen; andere stammen von der Ansteuerlogik selbst, wie z. B. Ausgangsspannung und -strom sowie die vom Logiksystem in verschiedenen Phasen benötigten Bedingungen. Das Logiksystem benötigt eine Reihe von Anweisungen, um den gesamten Prozess des Zugriffs, der Verarbeitung und der Auslösung der Steuersignalgenerierung abzuschließen. Die Anweisungen werden in Datenform bereitgestellt und gemäß den spezifischen Betriebsanforderungen der Motoranwendung in einzelne Werte, d. h. Parameter, zerlegt. In einer gegebenen industriellen Anwendung werden die Eigenschaften des Treibers durch benutzerdefinierte Parameter und interne Überwachungsparameter festgelegt. Diese Parameter enthalten alle wichtigen Faktoren der Motorleistung und ermöglichen es dem Benutzer, die spezifischen Anwendungsanforderungen durch die Konfiguration des Treibers präzise zu erfüllen. Parameter können darüber hinaus Kommunikations-, Sicherheits- und andere Funktionen bereitstellen. 3. Merkmale und Parametereinstellungen des volldigitalen Treibers MentorII Der MentorII ist der neueste volldigitale DC-Treiber für industrielle Anwendungen von CT (CONTROL TECHNIQUES) aus Großbritannien. Dieses Steuergerät integriert Thyristoren, Treiberschaltungen und einen Mikrocontroller in einem einzigen Chip und zeichnet sich durch seine kompakte Bauweise und leistungsstarke Funktionen aus. Es nutzt einen Mikroprozessor als Kernstück. Betriebsanweisungen und Parameter können über das Bedienfeld oder die serielle Schnittstelle eingegeben, eingestellt und geändert werden und sind durch dreifache Verschlüsselung geschützt. Alle analogen und die meisten digitalen Eingänge sind benutzerprogrammierbar. Als zentrale Komponente zur Ansteuerung von Motoren im Zwei-Quadranten- (unidirektional) oder Vier-Quadranten-Betrieb (reversibel) verfügt der volldigitale Treiber MentorII über eine kompakte Bauweise. Seine Steuerfunktionen werden vollständig vom Mikroprozessor implementiert, was ein völlig neues Konzept für volldigitale DC-Drehzahlregler der zweiten Generation darstellt. Im Vergleich zu analogen Systemen bietet er zahlreiche fortschrittliche Funktionen, und seine komplexen Steueralgorithmen sind für analoge Systeme nicht realisierbar. Es verfügt über die für Antriebsanwendungen erforderlichen Funktionen und Module: ein Wicklungssteuerungsmodul, ein PID-Reglermodul, eine digitale Steigungsfunktion, Mehrmotoren-Antriebssteuerung, Tipp-/Kriechsteuerung, eine Nullpunkt-Positionsregelung usw. Es kann Fehler wie Phasenausfall, Überstrom, Erregungsausfall, Rückkopplungsausfall, Thyristor-Modul-Überhitzung und Motorüberhitzung selbstständig diagnostizieren und den internen Gerätestatus speichern und anzeigen. Drei Rückkopplungsmethoden (Ankerspannung, Tachogenerator, Lichtschranke) stehen zur Verfügung. Es kann über eine serielle Schnittstelle (RS485) von einem Host-Computer (PC oder SPS) gesteuert werden, um mehrere Antriebsgeräte zu konfigurieren und mit ihnen zu kommunizieren und so ein zentrales Steuerungsnetzwerk zu bilden. Es zeichnet sich außerdem durch umfassende Selbstdiagnosefunktionen, hohe Zuverlässigkeit und ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Es ermöglicht die Durchführung komplexer Steuerungen wie Drehmomentausgleich, Spannung und Position. Die Steuerung des volldigitalen Systems erfolgt durch die Zuweisung von Werten zu seinen Parametern, die typischerweise eine große Anzahl von Parametern umfassen. Der volldigitale DC-Drehzahlregler Mentor II verfügt über einen Ausgangsstrombereich von 25–1850 A. Die Parameter sind in sechzehn Menüpunkte (00.XX – 16.XX) unterteilt, wobei XX nach dem Dezimalpunkt die jeweilige Funktion angibt. Beispielsweise steht 01.06 für den eingestellten Wert und 06 für die maximale Vorwärtsdrehzahl (Bereich: 0–+1000, Standardwert 01.06 = +1000). Jeder Menüpunkt beinhaltet eine detaillierte Funktions- oder Logikkonfiguration. Dank eines vollständigen Satzes benutzerdefinierter Algorithmen berechnet der Regler nach der Integration von Steuergerät und Motor automatisch die P- und I-Parameter, die elektromechanischen Konstanten sowie die Stromdiskontinuitätspunkte des Stromkreises. Dadurch erzielt das System optimale dynamische Eigenschaften und die Fehlersuche wird deutlich beschleunigt. Diese Funktion lässt sich einfach durch entsprechende Einstellungen an den Bedientasten aktivieren. Die Konfiguration des Antriebsgeräts erfolgt bequem über die Standard-Kommunikationsschnittstelle am Bedienfeld oder Host-Computer. Standardanwendungen lassen sich schnell durch die Konfiguration von maximal zehn Parametern einrichten. Die fünf Tasten des Bedienfelds zeigen zusammen mit dem Funktionsmenü die technischen Parameter des Antriebsgeräts übersichtlich an. Der Antrieb verfügt außerdem über verschiedene Fehlercodes. Bei einer Störung des Antriebs wird der Fehlercode im Indexfenster angezeigt, die Dateninformationen blinken und im Datenfenster wird die englische Abkürzung der Fehlerursache angezeigt. Abbildung 2 zeigt die antiparallele Schaltung des Thyristors. Abbildung 3 zeigt das Drehmoment-Drehzahl-Diagramm eines Vierquadranten-Gleichstrommotors . 4. Anwendung von Mentor II im elektrischen System des Klammerkrans 4.1 Systemzusammensetzung Das elektrische System des Klammerkrans im Walzwerk der Wuyang Iron and Steel Company umfasst den Haupthaken, den Hilfshaken, den Laufwagen, die Klammerdrehung, das Öffnen und Schließen der Klammer sowie die Nothebevorrichtung für den Haupthaken. Alle Antriebsmechanismen verwenden Gleichstrommotoren. Der ausgewählte Mentor II Gleichstromantrieb sollte einen um ein bis zwei Stufen höheren Nennstrom aufweisen. Beispielsweise sollte ein 125-kW-Gleichstrommotor mit einem Nennstrom von ca. 315 A ausgewählt werden, wobei ein M825R mit einem Nennstrom von 825 A zum Dauerbetrieb verwendet wird. Das Schaltbild des elektrischen Systems des Klemmkrans ist in Abbildung 4 dargestellt. 4.2 MentorII-Auswahl (1) Die beiden Motoren des Haupthakens sind vom Typ ZZJ-812 mit 90 kW. Nennstrom: 410 A, Nennspannung: 220 V. Für die Umrüstung wird das Gerät M825R mit einem Nennstrom von 825 A verwendet. Die beiden Motoren sind in Reihe geschaltet, und die Ausgangsspannung ist von 0 bis 440 V einstellbar. Der maximale Strom kann 1250 A für 30 s erreichen. (2) Die vier Motoren des Fahrwerks sind vom Typ ZZ0-62 mit 48 kW. Nennstrom: 218 A, Nennspannung: 220 V. Für die Umrüstung werden die beiden Geräte M825R mit einem Nennstrom von 825 A verwendet. Die beiden Motoren sind in Reihe geschaltet und werden von einem Controller gesteuert. Die Ausgangsspannung ist von 0 bis 440 V einstellbar. Der maximale Strom beträgt 1250 A für 30 s. (3) Der Motor des Hilfshakens ist vom Typ ZZJ-62 mit 50 kW. Nennstrom: 227 A, Nennspannung: 220 V. Die Modifikation verwendet ein Gerät vom Typ M550R mit einem Nennstrom von 550 A. Der Motor wird von einem Controller gesteuert, und die Ausgangsspannung ist von 0 bis 220 V einstellbar. Der maximale Strom beträgt 825 A für 30 s. (4) Ein Fahrwagenmotor vom Typ ZZJH-72 mit 48 kW. Nennstrom: 218 A, Nennspannung: 220 V. Die Modifikation verwendet ein Gerät vom Typ M550R mit einem Nennstrom von 550 A. Der Motor wird von einem Controller gesteuert, und die Ausgangsspannung ist von 0 bis 220 V einstellbar. Der maximale Strom beträgt 825 A für 30 s. (5) Ein Klemmenrotationsmotor Modell ZZY-42, 23 kW. Nennstrom 105 A, Nennspannung 220 V. Die Modifikation verwendet ein Gerät M550R mit einem Nennstrom von 550 A. Der Motor wird von einem Controller gesteuert, und die Ausgangsspannung ist von 0 bis 220 V einstellbar. Der maximale Strom beträgt 825 A für 30 Sekunden. (6) Der Klemmenöffnungs- und -schließmotor ist Modell ZZJH-72 kW. Der Nennstrom beträgt 318 A und die Nennspannung 220 V. Die Modifikation verwendet ein Gerät M825R mit einem Nennstrom von 825 A. Der Motor wird von einem Controller gesteuert, und die Ausgangsspannung ist von 0 bis 220 V einstellbar. Der maximale Strom beträgt 1250 A für 30 Sekunden. Abbildung 4. Schaltplan des elektrischen Systems des Klemmenhebers . 4.3 Drehzahl-Sollwert definieren: Parameter (07.15) = 01.17, Sollwert von Klemme 3 an Parameter 01.17 gesendet, Parameter (08116) = 01.14, (01.14) = 1 (negative Logik), 01.18 als Drehzahl-Sollwert (Null-Sollwert), (01.18) = 0, (01.14) = 0, 01.17 als Drehzahl-Sollwert setzen, Klemme (0 V) zur Steuerung von Vorwärts- und Rückwärtsdrehung sowie Tippbetrieb verwenden. Das Programmmenü des Steuerungssystems ist in Abbildung 5 dargestellt. 4.4 Fehlersuche vor Ort und Menüflussanalyse: Vor der Fehlersuche in MentorII sollten relevante Motorparameter wie Motor-Volllaststrom, Ankerspannung, Erregerstrom, Nenndrehzahl, Drehzahlrückkopplungsmethode usw. erfasst werden, bevor Parameter eingestellt und geändert werden. Die Parametereinstellung erfolgt über die Tastatur am Bedienfeld. (1) Das Stromsignal (4–20 mA) wird über den Analoganschluss 3 und das Potentiometersignal (0–10 V) über Anschluss 4 ausgegeben. Das Analogsignal kann über Menü 7 auf 1,17–1,20 eingestellt werden. Der Drehzahlwert kann auch digital über die Mentor II-Steuertaste eingegeben werden. (2) Parameter 02.24, 02.25, 02.26, 02.27: Einstellung der Beschleunigungs- und Verzögerungszeit. Entsprechend den Prozessanforderungen werden die vier Parameter auf 26, 26, 27 bzw. 28 eingestellt. (3) Parameter 03.09: Einstellung des Proportionalfaktors P des Drehzahlreglers. Eine Erhöhung dieses Parameters erhöht die Systemdämpfung und die dynamische Ansprechzeit. Bei einem System mit einer bestimmten Last kann ein zu großer Wert von P zu Instabilität führen. Der optimale Einstellwert ist der kritische Wert von 40 vor dem Auftreten von Instabilität. (4) Parameter 03.10: Der Integrationsfaktor I des Drehzahlregelkreises. Eine Erhöhung dieses Parameters verbessert die Erholungsgeschwindigkeit des Systems nach Störungen und erhöht dessen Flexibilität. Ist I zu groß, neigt die Drehzahl zu Schwankungen. Der optimale Einstellwert liegt bei 30, dem kritischen Wert vor dem Auftreten von Schwankungen. (5) Parameter 03.15: Spannungsbegrenzung. (6) Parameter 03.13: Auswahl der Rückkopplung. Aus prozesstechnischen Gründen wird die Rückkopplungsmethode auf Ankerspannungsrückkopplung eingestellt, der Einstellwert beträgt 1. (7) Parameter 08.16, 08.17, 08.18, 08.19: Definition der Zielparameter des externen Logikeingangs. Diese Einstellung ist erst nach dem RESET wirksam. Stellen Sie die Werte auf 112, 114, 115 bzw. 113 ein. (8) Parameter 08.26: Logik des Eingangs F6 invertieren; Wert: 1. (9) Parameter 10.29: Treiber bei Magnetisierungsverlust nicht trennen; Wert: 1. (10) Parameter 12.03, 12.04, 12.05, 12.07: Programmierbare Schwellenwerte. Stellen Sie diese auf 707, 086, 002 bzw. 1034 ein. (11) Parameter 07.07: Umgebungstemperatur auf 40 °C eingestellt. (12) Systemstatus und Fehlerinformationen können jederzeit über Menü 10 eingesehen werden. 10.25–10.28 sind die Fehlercodes der letzten vier Male. 5. Vorsichtsmaßnahmen beim Gebrauch: Der volldigitale Gleichstromantrieb Mentor II hat eine Nennumgebungstemperatur von 40 °C, eine Nennhöhe von 1000 m und benötigt nicht kondensierende Luftfeuchtigkeit. Der Antrieb sollte in einem Metallgehäuse mit mindestens 100 mm Freiraum zur Wärmeableitung installiert werden; ein Lüfter im Gehäuse ist erforderlich. Die Eingangs- und Ausgangsklemmen, die Steuerleitungen und einige interne Bauteile des Antriebs führen Hochspannung. Nach dem Einschalten des Antriebs ist eine Wartezeit von mindestens 2 Minuten einzuhalten, damit sich die Kondensatoren vollständig entladen können, um Stromschläge zu vermeiden. Der Gleichstromantrieb erzeugt Oberschwingungen im Netzteil, die das Stromnetz beeinträchtigen können. Zur Unterdrückung der Oberschwingungen ist auf der Wechselstromseite des Geräts eine Eingangsdrossel zu installieren, und zum Schutz des Thyristors ist eine Thyristor-spezifische Sicherung in die Eingangsleitung einzubauen. 6. Fazit: Das modernisierte System nutzt volldigitale, intelligente Gleichstromantriebe der Serie Mentor II und speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) zur Umsetzung der Prozesslogik. Alle Steuerungsprozesse sind mithilfe einer Steuerungsalgorithmus-Software programmiert, was zu einem einfachen Steuerungsprozess führt. Durch den Einsatz von Potenzialenergie-Rückkopplungsregelung zeichnet sich das System durch eine kompakte, schnelle, präzise, ​​energieeffiziente und wartungsarme Struktur aus. Die Ausfallrate wird deutlich reduziert, die Wartung vereinfacht, Systemverluste minimiert und die Produktivität erheblich gesteigert. Diese Technologie ist nicht nur für Klemmkrane bundesweit einsetzbar, sondern kann auch auf andere große Krane übertragen werden, was ein sehr breites Marktpotenzial eröffnet.