Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit dem Einsatz des Vektorfrequenzumrichters der Huichuan MD320-Serie in einem 20-Tonnen-Portalkran auf einem Güterbahnhof sowie mit dem flexiblen Einsatz von SPS und Touchscreen zur Drehzahlregelung mittels Frequenzumrichter. Schlüsselwörter: Frequenzumrichter, Portalkran, SPS. I. Einleitung: Portalkrane sind Hebe- und Transportgeräte, die zum Heben, Senken und horizontalen Bewegen schwerer Lasten über eine bestimmte Distanz eingesetzt werden und eine wichtige Rolle in Produktionsprozessen spielen. Herkömmliche Drehzahlregelungsverfahren für Portalkrane, wie die Drehzahlregelung über den Rotorwiderstand von Schleifringläufer-Asynchronmotoren, die Drehzahlregelung über die Statorspannung mit Thyristoren und die Kaskadenregelung, weisen alle den Nachteil auf, dass Schleifringläufer-Asynchronmotoren Schleifringe und Bürsten besitzen, die regelmäßige Wartung erfordern. Fehler, die durch Schleifringe und Bürsten verursacht werden, treten relativ häufig auf. Darüber hinaus führt der Einsatz einer großen Anzahl von Relais und Schützen zu einem hohen Wartungsaufwand vor Ort, einer hohen Ausfallrate des Drehzahlregelungssystems und insgesamt schlechten technischen Kennzahlen, wodurch die speziellen Anforderungen der industriellen Fertigung nicht mehr erfüllt werden. Die Drehzahlregelung mittels Wechselstrom-Frequenzumrichtern zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: A. Stufenlose Drehzahlregelung von Asynchronmotoren. B. Geringer Anlaufstrom, wodurch die Leistungsaufnahme reduziert wird. C. Sanfter Anlauf, Vermeidung von mechanischen Stößen und Schutz der Maschinen. D. Motorschutz, wodurch die Wartungskosten gesenkt werden. E. Deutliche Energieeinsparung. Aufgrund dieser Eigenschaften hat die Wechselstrom-Frequenzumrichtertechnologie begonnen, Gleichstrom-Drehzahlregler zu ersetzen und ist zum Entwicklungsschwerpunkt moderner elektrischer Antriebe geworden. Das Prinzip der Drehzahlregelung ist wie folgt: Dreiphasiger Wechselstrom wird vom Netzteil in den Frequenzumrichter eingespeist, gleichgerichtet und gefiltert, um Gleichstrom zu erzeugen. Dieser wird anschließend mittels elektronischer Schaltkreise in dreiphasigen Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung umgewandelt und nach der Filterung als Eingangsleistung für den Motor ausgegeben. In meinem Land begann man Ende der 1980er Jahre mit dem Einsatz von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Kränen. Damals wurden die meisten Frequenzumrichter über das Verhältnis von Spannung zu Frequenz (V/f) geregelt. Die Laufruhe, die präzise Steuerbarkeit und die Energieeffizienz der stufenlosen Drehzahlregelung mit variabler Frequenz bieten eine innovative Lösung für die großflächige und hochwertige Drehzahlregelung von Portalkranen mit AC-Asynchronmotoren. Sie zeichnet sich durch eine leistungsstarke Drehzahlregelung mit einfachen, zuverlässigen und wartungsarmen Kurzschlussläufermotoren aus. Zudem ist sie hocheffizient und energiesparend, mit einfacher peripherer Steuerschaltung, minimalem Wartungsaufwand, umfassenden Schutz- und Überwachungsfunktionen und einer deutlich verbesserten Betriebssicherheit im Vergleich zu herkömmlichen AC-Drehzahlregelungssystemen. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Frequenzumrichtertechnologie haben auch professionelle Kranhersteller diesem Hightech-Bereich ihre Aufmerksamkeit zugewandt und führen intensive Forschungen zu frequenzumrichterbasierten Drehzahlregelungssystemen durch, die auf die spezifischen Anforderungen des Kranbetriebs zugeschnitten sind. Daher ist die AC-Frequenzumrichter-Drehzahlregelung der Standard in der Entwicklung von AC-Drehzahlregelungstechnologien für Portalkrane. Darüber hinaus ermöglichen die grundlegenden und anwendungsorientierten Anweisungen der SPS sowie die benutzerfreundliche Touchscreen-Oberfläche jedem Bediener, sich schnell in die Bedienung seines Krans einzuarbeiten und diese zu beherrschen. Bis zu 86 Bedienbildschirme und ein Fehlerinformationsbildschirm ermöglichen dem Wartungspersonal die schnelle Identifizierung und Behebung von Störungen. Dieser Artikel beschreibt die elektrische Struktur eines 20-Tonnen-Portalkrans und konzentriert sich dabei auf den Einsatz von Huichuan-Frequenzumrichtern und Mitsubishi-SPSen in einem Güterbahnhof des Eisenbahnamts Zhengzhou. Der Kran hat eine Tragfähigkeit von 20 Tonnen, eine Hubhöhe von 11 Metern, eine Hubgeschwindigkeit von 10 Metern pro Sekunde, eine Fahrwerksgeschwindigkeit von 47,9 Metern pro Sekunde, eine Portalgeschwindigkeit von 45,2 Metern pro Sekunde, eine Spannweite von 18 Metern und einen effektiven Ausleger von 6,5 Metern. Der Haupthakenmotor besteht aus einem 6-poligen Frequenzumrichter (45 kW), die Fahrwerksmotoren aus vier 8-poligen Standard-Asynchronmotoren (7,5 kW) und die Portalmotoren aus zwei 6-poligen Standard-Asynchronmotoren (11 kW). Die Hauptkomponenten des elektrischen Systems sind Frequenzumrichter der Serie MD320 von Huichuan, SPS der Serie FX1N von Mitsubishi und Mensch-Maschine-Schnittstellen von Tianjin Luosheng. 1) Die Auswahl von Frequenzumrichtern zur Drehzahlregelung von Asynchronmotoren erfolgt in der Regel anhand des Nennstroms oder des tatsächlichen Betriebsstroms (Maximalwert) des Asynchronmotors. Typischerweise sollte der Nennstrom des Frequenzumrichters mindestens das 1,05- bis 1,10-Fache des Nennstroms oder des maximalen Betriebsstroms des Motors betragen. In der Kranindustrie, insbesondere bei Hebezeugen, muss die gewählte elektrische Kapazität aus Sicherheitsgründen jedoch deutlich höher sein als die Nennkapazität der Anlage. Daher muss die Kapazität des Frequenzumrichters für den Haupthakenmotor entsprechend erhöht werden. Der Haupthakenmotor ist ein 6-poliger Frequenzumrichter, der im Bereich von 3 bis 50 Hz mit konstantem Drehmoment und im Bereich von 50 bis 100 Hz mit konstanter Leistung arbeitet. Der Haupthakenumrichter ist vom Typ MD320T-75KW. Der Fahrwagenmotor ist ein 8-poliger Motor mit 7,5 kW Leistung und wird vom Umrichter MD320T-45KW angetrieben. Der zweite Fahrwagenmotor ist ein 6-poliger Motor mit 11 kW Leistung und wird vom Umrichter MD320T-37KW angetrieben. Es werden zwei 60-Punkt-SPS vom Typ FX1N-60MR verwendet. Als Touchscreen dient ein PWS-6600. Alle Niederspannungskomponenten stammen von Schneider Electric. Das Blockschaltbild ist wie folgt: Blockschaltbild-Erklärung: Dieses elektrische System nutzt zwei SPS als Kern der Daten- und Logikverarbeitung. Dies bietet folgende Vorteile: a) Das Systemprogramm ist in ein Haupthakenprogramm und ein Fahrwagen-/Wagenprogramm unterteilt, was die Fehlersuche vereinfacht. Der Betriebszustand des Fahrwagens/Wagens wird über das Codierungsprogramm an die SPS0 übermittelt und anschließend auf dem Touchscreen angezeigt. b) Es verdeutlicht die Zentralisierung des Systems: zentrale Überwachung, zentralisierter Betrieb und zentrales Management. c) Es verdeutlicht die Dezentralisierung des Systems: dezentrale Steuerung, dezentrale Gefahrenerkennung und dezentrale Lastverteilung. d) Der Touchscreen besteht aus über 80 Bildschirmen, die Informationen wie Betriebszustand, Geschwindigkeit, Systemtests, Fehlerhäufigkeitsaufzeichnungen, historische Fehlerprotokolle und Fehlerbehebungsmethoden anzeigen. Das System besteht aus vier Schaltschränken: einem Stromversorgungsschrank, einem Schaltschrank für den Hubwerksfrequenzumrichter, einem Schaltschrank für den Fahrwerks- und Kranfrequenzumrichter sowie einem Widerstandsschrank. Das Hubwerksfrequenzumrichtersystem steuert mithilfe einer SPS das Heben und Senken des Haupthaken-Frequenzumrichters und kommuniziert mit dem Touchscreen. Wie in der Abbildung dargestellt: Die großen und kleinen Fahrwerksysteme sind in einem Schaltschrank integriert und teilen sich eine SPS. Die SPS kodiert den Betriebszustand der großen und kleinen Fahrwerke, Endsignale usw. und verbindet diese mit dem SPS-Eingang im Hubwerksschrank, sodass sie auf dem Touchscreen angezeigt werden können. Wie in der Abbildung dargestellt: Der Widerstandsschrank absorbiert die Rückgewinnungsenergie des Frequenzumrichters, wodurch Wärme entsteht und er eine relativ hohe Temperatur erreicht. Daher wird er außerhalb des Stromverteilungsraums installiert. Um die Wärmeabfuhr der Komponenten im Inneren des Schranks zu gewährleisten, sind in jedem Schrank zwei Axialventilatoren installiert. Zusätzlich ist im Stromverteilungsraum eine Klimaanlage mit Heiz- und Kühlfunktion installiert. Bei der Konstruktion sind folgende Punkte zu berücksichtigen: 1) Vermeidung des Abrutschens des Haupthakens beim Heben und Senken: Bevor die elektromagnetische Bremse einrastet und unmittelbar nach deren Auslösung, kann das schwere Objekt aus dem Stillstand abrutschen und so ein Abrutschen des Hakens verursachen. Hierbei ist der Zeitpunkt des Betriebs des Frequenzumrichters und des Einrastens des Bremskontakts entscheidend. Öffnet die Bremse während des Hebe- und Senkvorgangs zu früh, besteht Abrutschgefahr. Öffnet sie zu spät, kann der Frequenzumrichter eine Fehlermeldung ausgeben. Beim Anhalten kann eine zu frühe Bremsung zu einer Fehlermeldung des Frequenzumrichters führen. Wird die Bremse hingegen zu spät betätigt, besteht die Gefahr des Abrutschens des Hakens. Zur Lösung dieses Problems sind daher zwei Punkte entscheidend: (1) Wichtige Punkte zum Anhalten der Last: Durch Einstellen der Startfrequenz und der Haltezeit (die 0,6 s über der Haltezeit des Bremsmagneten liegen sollte) gibt der Frequenzumrichter bei einem Frequenzabfall auf 0 Hz ein Frequenzankunftssignal aus und schaltet den Bremsmagneten ab. Dieser Zustand wird für eine gewisse Zeit aufrechterhalten, bevor die Betriebsfrequenz des Frequenzumrichters auf 0 Hz absinkt. (2) Wichtige Punkte zum Heben und Senken der Last: Einstellen der Startfrequenz und der Stromerfassungszeit. Sobald der Frequenzumrichter 0 Hz erreicht, beginnt er mit der Stromerfassung. Ist der Strom ausreichend und das erzeugte Drehmoment kann das Senkdrehmoment ausgleichen, gibt er einen Freigabebefehl aus, um den Bremsmagneten zu aktivieren und die Bremse zu lösen. Dies sollte größer sein als die Auslösezeit des Elektromagneten. Es sind jedoch weitere Parameter und eine mechanische Abstimmung zu berücksichtigen. Beispielsweise die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit des Frequenzumrichters, die Spannung der elektromagnetischen Bremsfeder usw. 2) Automatische Drehmomentverstärkung: Da Laufkatze und Kran in einer Mehrwagenkonfiguration arbeiten, sollte die Regelungsmethode eine U/F-Regelung sein. Durch eine geeignete Erhöhung der Zwischenfrequenzspannung lassen sich die Niederfrequenzeigenschaften verbessern und das Anlaufdrehmoment erhöhen; eine Erhöhung der Nullfrequenzspannung erhöht die Gleichstromerregung und verbessert somit effektiv die Anlaufeigenschaften von Laufkatze und Kran. Die Kurve ist in der Abbildung unten dargestellt. 3) Funktionsparametereinstellungen der Frequenzumrichter für die einzelnen Getriebemechanismen: Die Funktionsparametereinstellungen der in den einzelnen Getriebemechanismen des Portalkrans verwendeten Frequenzumrichter sind in der folgenden Tabelle dargestellt. 4) Energierückkopplungsproblem: Während der Frequenzreduzierung des Haupthaken-Frequenzumrichters oder während des Absenkvorgangs wechselt der Motor automatisch vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb und erzeugt so ein Bremsdrehmoment. Je schneller die Verzögerung, desto größer die Lastträgheit und desto höher die zurückgewonnene Energie. Durch die Nutzung dieser Energie kann verhindert werden, dass die Zwischenkreisspannung des Frequenzumrichters die Nennspannung überschreitet und dadurch Schäden am Umrichter verursacht. Gleichzeitig wird das erforderliche Bremsmoment erreicht. Bei Kranen wird die Rückgewinnungsenergie üblicherweise mit einer externen Bremseinheit und einem Bremswiderstand genutzt. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Rückgewinnungsenergie außerhalb des Motors abgeführt wird, wodurch eine Überhitzung des Motors vermieden und der Betrieb im Dauerbetrieb ermöglicht wird. Der Nachteil besteht darin, dass diese Rückgewinnungsenergie im Widerstand als Wärme verloren geht. Theoretisch ist diese Methode der Energierückführung mittels eines reversiblen Umrichters unterlegen, da dieser die Rückgewinnungsenergie ins Netz zurückspeisen und somit eine vollständige Nutzung gewährleisten kann. Die Rückführungsmethode ist jedoch für Krane mit Schleifkontakt-Stromversorgung ungeeignet; jegliche Schwankungen im Stromabnehmer könnten zu einem Ausfall des Wechselrichters und sogar zu Schäden am Frequenzumrichter führen. Daher verwendet auch dieses System eine externe Bremseinheit und einen Bremswiderstand, um Ausfälle und Schäden am Frequenzumrichter durch die vom Motor erzeugte Rückgewinnungsenergie zu verhindern. 5) Problematik der Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten: Beim ersten Anheben eines schweren Objekts durch den Haken, während sich das Hebeseil von locker zu straff spannt und schließlich den Boden verlässt, erhöht sich das Gewicht am Haken allmählich von null. Die SPS wählt den Betriebsmodus automatisch anhand des Signals des Gewichtsbegrenzers. Die Ansprechzeit des Frequenzumrichters variiert dabei. Dies erfordert eine Anpassung der Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten. Wir legen die Beschleunigungs- und Verzögerungszeit des leeren Hakens als erste und die des normalen und des voll beladenen Hakens als zweite Beschleunigungs- und Verzögerungszeit fest. Sobald das Gewicht die Trennlinie erreicht, schaltet das System automatisch auf die zweite Beschleunigungs- und Verzögerungszeit um. Die erste Beschleunigungs- und Verzögerungszeit muss kürzer sein als die zweite, um den schnellen Betrieb des Krans zu ermöglichen. Drei elektrische Merkmale 1) Einführung in den Frequenzumrichter MD320 Der Frequenzumrichter der MD-Serie repräsentiert die zukünftige Entwicklungsrichtung von Frequenzumrichtern und ist in diesem Bereich wegweisend für drei Konzepte: 1. Er führte den dreischichtigen modularen Strukturstandard einer neuen Generation von Frequenzumrichtern ein (siehe Abbildung). 2. Er führte den physikalischen Standard für die Aufteilung von Hauptmodulen und verschiedenen Submodulen wie Motorantrieb, allgemeinen Funktionen und speziellen Funktionen gemäß den Anwenderanforderungen ein (siehe Abbildung unten). Er zeichnet sich durch folgende Merkmale aus: a) Der Frequenzumrichter der MD-Serie verwendet einen echten Stromvektorregelungsalgorithmus. Das heißt, der Statorstrom wird nach der Koordinatentransformation in Drehmomentstrom- und Magnetflussstromkomponenten zerlegt, wodurch eine präzise Drehmomentregelung erreicht wird. b) Flexibles modulares Design, das die flexible Konfiguration verschiedener branchenspezifischer Module, Funktionsmodule und Hochleistungsmotorsteuerungsmodule gemäß den unterschiedlichen Anforderungen der Kundenbranchen ermöglicht. Dies vereinfacht die Aufrüstung und Wartung der Anlagen und reduziert die Anwendungskosten erheblich. c) Vielfältige Einstellmöglichkeiten der Frequenzquelle und voll ausgestattete multifunktionale Ein- und Ausgänge erleichtern die Steuerung. d) Hervorragendes Servo-Ansprechverhalten mit hoher Anpassungsfähigkeit an schnelle Laständerungen. e) Vollständiges, unabhängiges Luftkanalsystem, Weitbereichsspannungsauslegung, Sicherheits-Selbsttestfunktion, sicherer Blitzschutz, umfassende Schutzfunktionen und professionelle Fertigungsplattform. f) Präzise Steuerung über einen weiten Bereich, ermöglicht hochpräzisen Betrieb von 1/100 bis zu Höchstgeschwindigkeiten unabhängig von Laständerungen. 2) Das Gesamtsystem verfügt über folgende Funktionen: a) Der Hubmotor arbeitet im geschlossenen Vektorregelkreis. Die Positionierung beim Heben schwerer Lasten wird durch die Rückkopplung des Drehgebersignals präziser. b) Die SPS-Steuerung ermöglicht Online-Programmierung, Online-Änderung und die Erkennung verschiedener Fehler. c) Die SPS wählt den Betriebsmodus automatisch anhand des Signals des Gewichtsbegrenzers: Bei T ≤ 0,6T geht das System von einem leeren Haken aus, der schnell heben und senken kann (d. h. die maximale Betriebsfrequenz beträgt 70 Hz). Bei einem Drehmoment von 0,6T ≤ T ≤ 13,5T arbeitet das System im Normalbetrieb und kann den Haken schnell heben und senken, jedoch etwas langsamer als im Leerlauf (maximale Betriebsfrequenz: 60 Hz). Bei einem Drehmoment von 13,5T ≤ T ≤ 21,0T arbeitet das System im Volllastbetrieb, und der Frequenzumrichter ist im Konstantdrehmomentmodus tätig (maximale Betriebsfrequenz: 50 Hz). Bei einem Drehmoment von T ≥ 21,0T liegt eine Überlastung vor; das System kann dann nur noch absenken, aber nicht mehr heben. d) Das Fehlererkennungssystem zeigt Fehler an, darunter Hebe-, Fahrwerks- und Kranfehler, und überwacht diese in Echtzeit. Angezeigt werden Überlast, Kurzschluss, Überstrom, Überspannung, Unterspannung, Überhitzung, Phasenausfall und weitere Fehler sowie Lösungsvorschläge. Tritt beispielsweise ein Fehler des Hubumrichters auf, erscheint folgender Bildschirm: Nach Betätigung der Schnellfehlerprüfungstaste erscheint folgender Bildschirm: Anschließend werden die vom Umrichter gemeldeten Fehlerinformationen angezeigt, z. B. „Err03“. Durch Drücken von „Err03“ wird der folgende Bildschirm angezeigt, sodass Benutzer die Fehlerursache leicht finden und umgehend beheben können. Es stehen bis zu 30 Fehlerinformationen zur Verfügung. e) Datenanzeigefunktion: Der Touchscreen kann folgende Daten anzeigen: Hub-, Fahrwerks- und Krangeschwindigkeiten; Anzahl der Bremsbetätigungen von Hub-, Fahrwerks- und Kranbremsen; Betriebszeit; und den aktuellen Betriebsstatus des Portalkrans usw. Beispiel: Eigenschaften des Frequenzumrichters der Serie MD320 während der Inbetriebnahme: 1) Statischer Lasttest: Der statische Lasttest beinhaltet das Anheben eines schweren Objekts, das das zulässige Traggewicht überschreitet, und dessen anschließende Anhebung in einer bestimmten Höhe für eine bestimmte Zeit. Hierfür wurde zunächst das Überlastsignal des Gewichtsbegrenzers kurzgeschlossen, um diesen zu deaktivieren, und anschließend ein Gewicht von 1,25-facher Nennlast angehoben. Dieser Test überprüfte zunächst verschiedene mechanische Daten des Portalkrans und anschließend die Drehmomentcharakteristik des Frequenzumrichters beim Heben schwerer Lasten (insbesondere bei niedrigen Geschwindigkeiten) sowie dessen Abstimmung mit der Bremse. Dabei zeigte sich, dass die Bremse gelöst wurde, sobald der Frequenzumrichter 0,5 Hz erreichte, und dass kein Hakenschlupf auftrat. 2) Die Steuertabelle ist in fünf Geschwindigkeitssegmente unterteilt, die nacheinander an die SPS übertragen werden. Nach der Verarbeitung sendet die SPS das Signal an den Frequenzumrichter. Das Frequenzintervall jedes Geschwindigkeitssegments beträgt im großen und kleinen Fahrwerk 10 Hz. Beim Abbremsen werden die Geschwindigkeitssegmente ebenfalls nacheinander deaktiviert, was einen sanften Geschwindigkeitswechsel ermöglicht. Dadurch wird ein Hakenschwingen während des Betriebs verhindert und der Kranführer muss den Haken nicht manuell steuern. 3) Der Frequenzumrichter passt sich den Bedienungsgewohnheiten des Kranführers im alten System an; durch schnelles Vor- und Zurückbewegen des Steuerhebels ist die Geschwindigkeitsänderung deutlich spürbar. 4) Zweitens kann dieses System im Betrieb die Beschädigung der Stahlkonstruktion des Portalkrans effektiv reduzieren und die Belastung des Stromnetzes bei Verwendung einer Reihenwiderstands-Drehzahlregelung verringern. V. Wirkungsanalyse Nach einem Jahr Betrieb ist der Effekt im Vergleich zum alten System (Reihenwiderstands-Drehzahlregelung) auf diesem Güterbahnhof deutlich sichtbar. Die wichtigsten Auswirkungen sind: 1. Die Wartungskosten werden erheblich reduziert; die Reparaturhäufigkeit von Niederspannungsgeräten, Motoren, Bürsten und Widerständen sinkt signifikant. 2. Die Drehzahlregelung ist gleichmäßiger; das Anlaufdrehmoment ist bei niedrigen Drehzahlen hoch, sodass der Fahrer vor dem Heben besonders schwerer Lasten nicht mehr auf hohe Drehzahl umschalten muss. 3. Das System startet sanft und reduziert die mechanische Belastung von Getriebe, Kupplungen und Drahtseilen. 4. Es reduziert auch die Belastung des Stromnetzes. 5. Der größte Vorteil ist die Energieeinsparung; Statistiken zeigen eine Energieeinsparung von 26 % im Vergleich zum alten System. 6. Die Arbeitseffizienz wird im Vergleich zum alten System um 20–25 % gesteigert. Fazit: Die Praxis hat gezeigt, dass der Einsatz von Frequenzumrichtern zur Steuerung von Portalkranen nicht nur Energie spart und den Verbrauch reduziert, sondern auch die Arbeitseffizienz steigert. Die Betriebssicherheit wird ebenfalls deutlich verbessert, was ein breites Anwendungsspektrum eröffnet.