高性能矢量控制变频器铁路起重设备的应用

    本文以某铁通设备供应商的“货运火车轮检修输送线”为依托，重点阐述了使用台达CH2000高性能矢量控制变频器解决火车轮地下输送线和地上输送线间的车轮移栽起重解决方案。

    随着中国铁路跨越式发展步伐的不断加快，以及铁路更高技术速度战略的实施，当前铁路设备的维修水平与现场实际需求间的差距已经日益突出。目前中国铁路维修设备的现状是：①铁路维护设备的自动化水平不高，造成维护效率低，人力成本高的现状；②铁路设备中间技术人才缺失，导致中间技术力量薄弱；③设备投入成本大、收益慢等因素导致铁路设备商技术更新慢，技术投入消极。

    但随着近几年铁路市场的进步，国内一部分自动化设备公司已经开拓这一片市场。台达变频器积极助力铁路自动化技术的进步，与多家铁路自动化公司合作帮助客户提高铁路设备自动化水平，为客户带来巨大的效益。

车轮移载工艺要求及系统构架

    由于货运火车的载荷较重，火车车轮在钢轨上受到的挤压力较大，维修车站需要定期收集需要修理的火车轮。将需要修理的火车轮收集在一起后，将待修理的车轮运输到修理车间，由于收集车间和修理车间存在一定距离，且车车轮重量较重搬运费时费力，这一套车轮移载输送方案解决了用户的困难。

图1货运火车轮移载输送线工艺

    如图1所示，待检测的火车轮集中收集后，通过水平传送带自行运行到机械手抓取区。待车轮运行到地下后通过地下输送到提升和下降的起重井中。上升和下降的起重井有VFD185CH43A驱动。

客户要求驱动升降平台运行平稳，在最高点和最低点时不能产生任何溜车现象，最高点最低点无抖动。停车时重复精度小于5mm。为了满足客户的工艺要求，整套输送线的系统架构如图2所示。

图2系统架构

存在问题及解决方案

    在实际运行过程中，客户反映存在以下问题：

  （1）“轻微溜车现象”：升降台上升到顶端，变频器STOP后平台会下降3～5cm，类似某些起重设备，停止时会往下沉一小段。

  （2）H未到达F值。

  （3）偶尔出现第二段速未触发。

    现场观察后确实存在如（1）描述的问题，通过分析，认为可能的原因会有以下几种：（a）锥形电机抱闸关闭前变频器力矩不够。（b）锥形电机本身的抱闸力矩不够。（c）链轮、减速器等机械间隙。

图3驱动方式

    解决办法：台达从客户需求出发，结合设备基本工艺和现场环境的可行性，通过计算和对比分析，从三种可行方案中确定了台达CH2000高性能矢量控制模式解决方案。通过现场的验证，不仅解决客户的设备生产需求，而且也丰富了台达变频器在铁路设备行业中的解决方案。

     由于客户反映某品牌变频器在上升中没有出现类似溜车的问题，故基本排除（c）的可能性。通过咨询南京特种电机厂家的技术人员，得知电机可能出现电机抱闸力矩不够的问题，需要重新上紧抱闸螺母。同时，按照锥形电机抱闸逻辑重新规划VF曲线（如图4、图5所示），或者更换控制模式。

图4V/F曲线规划

图5V/F曲线规划

    效果：多次修改VF曲线效果均不佳，同时切换自由停车/减速停车，效果均未能改善。且客户比较反对减速停车，要求自由停车。自由停车后停止效果由电机抱闸控制，变频器输出非控制状态，故需要对电机的抱闸重新紧螺母。

    尝试FOCsensorless:由于在起重中低频会出现控制发散的可能性，但由于改现场的停止频率为12HZ且是自由停车，故避开了TNcarve中的发散三角死区，图6为调试步骤。

图6调试步骤

    重复精度测试：客户为了保证每次停车的位置不能有误差累计且随机误差在5mm以内（数据如图7所示），满足了客户需求。

图7实验数据统计

结语

    本案例为CH2000高性能矢量控制变频器于铁路设备之应用，目前该方面的应用较少，因此方案为未来的实际应用提供了参考。台达CH2000FOCsensorless控制模式也适用于某些特定场合的起重应用。目前避开TNcave的三角区和低频发散问题RD也有了新的解决方案，可以继续使用在起重领域。