Emotron - jeřábové pohony s frekvenčními měniči

Problematikou aplikací frekvenčních měničů u pohonů jeřábů se firma Emotron zabývá již od roku 1990. Během této doby bylo vyvinuto již několik typových řad frekvenčních měničů, vybavených speciálním jeřábovým softwarem. Díky svým dlouholetým zkušenostem dnes patří firma Emotron AB ke světové špičce v tomto oboru.

Pro účely regulace otáček jeřábových pohonů jsou přímo určeny vektorové frekvenční měniče s přímým řízením momentu, typové řady EMOTRON VFX 2.0.
Tyto měniče jsou pak zpravidla vybaveny Jeřábovou sadou 2.0. Ta obsahuje jeřábovou kartou CRANE 2.0, jeřábový interface CI a kartu pro připojení inkrementálního snímače otáček ENCODER 2.0.
Frekvenční měniče v této konfiguraci fungují jako autonomní systém řízení jeřábového pohonu. To znamená, že kromě standardních funkcí řízení rychlosti zajišťují také logické vazby vstupů, ovládání brzdy a kontrolují stav pohonu.

Výhody frekvenčních měničů u jeřábových pohonů:

• Velké úspory nejen elektrické energie, ale i úspory z hlediska opotřebení mechanické části pohonu - převodovky, brzdy i jeřábu jako celku
• Plynulá regulace otáček od nulových až do maximálních bez redukce momentu motoru.
• Nepřetržitá diagnostika motoru.
• Veškeré ovládací prvky (ovládač, koncové a zpomalovací vypínače apod.) se připojují přímo k jeřábovému interface na úrovni 220VAC, popř. 24VDC.
• Díky jeřábové kartě, která zabezpečuje komplexní logiku řízení pohonu, nejsou další pomocná a blokovací relé již potřebná.
• Možnost aplikace i s původními kroužkovými motory nebo s motory s výsuvnou kotvou.
• Bezpečnost provozu.
• Základem bezpečné funkce pohonu jeřábu je odborné navržení celého systému pohonu, tj. převodovka - brzda - motor - frekvenční měnič.

Vnitřní řídící logika a software frekvenčních měničů VFX 2.0 jsou navrženy tak, aby bylo možno použít frekvenční měniče k řízení zdvihu i bez použití zpětnovazebního snímače otáček. Zde použité vektorové řízení zajišťuje maximální záběrový moment při optimálním točivém magnetickém poli motoru. Integrované proudové řízení, činné při nižších frekvencích zaručuje udržení maximální zátěže i při nulových otáčkách motoru.

Speciální jeřábový software umožňuje optimální ovládání brzdy. Vnitřní bezpečnostní logika dává brzdě pohonu zdvihu povel „volno” až tehdy, pokud je zaručeno, že jak frekvenční měnič, tak i připojený motor jsou bez poruchy. Při jakékoliv poruše pohonu dojde okamžitě ke „spadnutí” brzdy (v souladu s normou ČSN).

Provozní bezpečnost u zdvihu s měniči VFX je díky výše uvedenému bezpečnostnímu konceptu vyšší než u klasických pohonů s kroužkovými motory.

Speciální aplikace

• Beztahová regulace: odstranění příčení mostových jeřábů.
• Řízení pohonů drapáku: automatické řízení souběhu a koordinace obou motorů zdvihu u pohonu drapáku.
• Synchronní provoz dvou jeřábů.

Příklady aplikací viz Reference.

„Elektronické nákolky” pro mostové jeřáby

Oblast použití

Systém ESK - „Elektronické nákolky” vyvinula firma Emotron a je určen pro mostové nebo portálové jeřáby, u kterých dochází k jejich příčení a tím k nadměrnému opotřebení nákolků pojezdových kol (obr.1) a také i samotné kolejnice. Toto se stává zejména u jeřábů, které mají větší rozpětí mostu, menší tuhost konstrukce nebo také v případech jejich nesymetrického zatížení. Jeho provozováním pak rostou náklady na opravy a údržbu. Podcenění tohoto negativního jevu může také ohrozit i bezpečnost provozu.

Obr.1: Ukázka opotřebení nákolku z důvodu příčení jeřábu.

Systém ESK ve spolupráci s frekvenčními měniči zabraňuje vzniku tohoto příčení a tím prodlužuje životnost pojezdových kol i kolejnic a jednoznačně přispívá ke zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti jeřábu. Je-li tento systém dobře navržen a optimálně nastaven, je pak jízda jeřábu velice plynulá, rovnoměrná a bez doteků nákolků s kolejnicí. Jako vedlejší efekt zde můžeme pozorovat i snížení hlučnosti jeřábu, které bylo dříve vyvoláno jeho příčením, což může být také jedna z výhod, obzvlášť v případech, kdy se jeřáb nachází v blízkosti obytných prostor.

Princip „Elektronických nákolků”

Systém „Elektronických nákolků” je tvořen třemi základními částmi (obr.2):
1. část měření (snímače vzdálenosti)
2. část regulace (programovatelný automat)
3. část řízení otáček pohonů (frekvenční měniče)

Pomocí čtyř snímačů je plynule měřena boční vzdálenost od hlavy kolejnice. Snímače jsou umístěny na všechny čtyři „rohy” mostu jeřábu, tak aby se měřená vzdálenost co nejvíc ztotožňovala se vzdálenosti jeřábového kola, resp. nákolku od kolejnice.
Regulační obvod (programovatelný automat) pak vyhodnocuje tyto čtyři signály a určuje tak optimální osu jízdy. Tato osa by měla vést souběžně s jeřábovou dráhou a ležet v její ose.
Tento princip vypadá velmi jednoduše, ale jsou zde další okolnosti, které mají na toto negativní vliv: nerovnoměrné zatížení mostu jeřábu, nerovnost jeřábové dráhy, rozdílné třecí momenty jednotlivých kol/převodovek, nerovnoměrné opotřebení pojezdových kol, povětrnostní vlivy u venkovních jeřábů, atd.
Otáčky pohonů pojezdů pravé a levé strany jsou pak řízeny frekvenčními měniči pomocí výstupních signálů z regulátoru, což umožňuje jejich nezávislé řízení rychlostí.

Technická realizace

Systém měření může pracovat prakticky s jakýmkoliv typem snímače. Jako nejvhodnější se však osvědčil snímač ultrazvukový. Dokáže spolehlivě pracovat i v těch nejnepříznivějších podmínkách, má výhodné měřící vzdáleností, dostatečné rozlišení a dobrou linearitu signálu.

Vlastní regulátor sestává z kompaktního programovatelného automatu s displejem a klávesnicí (obr.2). Tento automat je standardně dodáván již zabudovaný ve skříňce, která obsahuje napájecí zdroj a svorkovnici pro připojení všech v/v signálů jako jsou výstupy ze snímačů vzdáleností, směrové a rychlostní povely z pákového ovládače, zpomalovací a koncové vypínače, řídící signály pro pohony atd.
Pro účely oživování a uvádění zařízení do provozu je možno pomocí ovládací klávesnice s displejem provést kompletní parametrizaci a nastavení celého systému. Všechny signály a měřené hodnoty jsou hlídány a monitorovány, popř. lze také provádět jejich simulaci.
Pohony pojezdů jsou vybaveny standardními asynchronními motory, které jsou řízeny frekvenčními měniči typové řady Vectorflux VFB/VFX. Výstupy z měničů také ovládají příslušné stykače brzd, které jsou zde pouze jako parkovací. Tzn. že brzdění pojezdu mostu jeřábu realizují samotné měniče pomocí interní brzdné jednotky a externího brzdného odporu.

obr.2: Princip „Elektronických nákolků”

Řízení lanového drapáku s frekvenčními měniči

obr. 1: Funkční schéma řízení drapáku	obr. 2: Zjednodušené schéma principu řízení drapáku

Popis

Elektronické řízení je určeno k ovládání čtyř-lanového drapáku se zavíracím a nosným pohonem. Koordinuje spolupráci obou těchto pohonů s ohledem na veškerou s tímto související ovládací logiku, řízení a blokování. Díky tomu se pak drapákový jeřáb jeví z pohledu jeřábníka jako normální běžný zdvih, kde se jen zadávají povely "nahoru / dolů" a "otevřít / zavřít". Pro činnost drapáku jsou potřebné tyto základní povely:

• drapák - nahoru (většinou 4 stupně)
• drapák - dolů (většinou 4 stupně)
• drapák - otevřít
• drapák - zavřít

Všechny tyto povely jsou zadávány přímo pákovým ovládačem. Samozřejmě že je možno tyto funkce libovolně kombinovat: při zvedání nebo spouštění můžeme drapák otevírat nebo zavírat. Otevřeme-li drapák jen částečně, můžeme ho také v tomto stavu libovolně zvedat nebo spouštět. Integrovaná polohová regulace totiž zajišťuje, aby nosné a zavírací lana byli vůči sobě vždy ve správném poměru.

Ruční provoz drapáku

Nosný i zavírací pohon jsou vybaveny přepínačem volby provozu "automat / ručně". Za normálních podmínek jsou oba tyto přepínače v poloze "automat". Jakmile se jeden z těchto přepínačů (nebo i oba současně) přepne do polohy "ručně", je elektronická regulace drapáku vyřazena z činnosti. Taktéž povely "otevřít / zavřít" přestanou být aktivní. Oba pohony pak mohou jezdit nezávisle na sobě, ale polohová regulace a synchronizace těchto pohonů je vyřazena a nejsou vyrovnávány otáčkové diference.

Nastavení poloh drapáku

Jako první krok při oživování elektronické regulace drapáku je nutno nastavit koncové polohy drapáku (pozice "otevřeno" a "zavřeno") a uložit je do paměti řídícího regulátoru. K tomuto účelu je stanoven přesný postup operací, které se provádějí pomocí ovládacího panelu "Power-Panel PP41". Po nastavení těchto poloh je drapák připraven ke zkušebnímu provozu, během kterého se pak provede kompletní "odladění" pohonů.
Výše uvedený postup se doporučuje provést pouze po nějakých mechanických změnách nebo po uplynutí delšího času provozování.

Kompenzace momentů obou pohonů

Synchronní regulace obou pohonů zajišťuje, aby podíl zatěžovacích momentů na oba pohony při zvedání nebo spouštění se zavřeným drapákem, byl vždy rovnoměrný. Optimální rozložení zatížení obou pohonů se pohybuje mezi 40 až 60%. Má-li být drapák vždy dokonale zavřen, musí být moment zavíracího pohonu vždy o něco větší než pohonu nosného.

Sledování lan při nabírání materiálu

Drapák si musí "umět nabrat" materiál. Za tímto účelem využívá své vlastní hmotnosti. Nosné lana přitom nesmějí drapák nadzvedávat, přitom ale musí zůstat neustále napnutá, aby nemohlo dojít k jejich uvolnění na lanovém bubnu. Lana obou pohonů jsou tedy navíjena na lanový buben se stále stejným diferenčním momentem. Proto zavírací pohon (při zavřeném drapáku) při zvedání nebo spouštění musí vždy trochu "předbíhat" pohon nosný.

Automatický přechod ze zavření ke zvedání

Pro optimální využití časového intervalu manipulace s drapákem je žádoucí, aby se ihned po nabíracím přešlo do fáze zvedání. Je-li dán povel na zavření současně s povelem pro zvedání, drapák se zavře a ihned začne zvedat. Je ale také možné nastavit tento přechod tak, že drapák začne zvedat a přitom zůstane ještě pootevřen pod určitým úhlem. Zdvih se pomalu rozjíždít a až po úplném zavření drapáku se rozjede na max. rychlost. Tímto způsobem řízení je docíleno minimálního trhnutí při rozběhu a mechanická část pohonů není zatěžována víc, než je nutné.

Zobrazování poruchových stavů

Během provozu drapákového jeřábu může občas dojít k určitým poruchovým stavům. Toto je signalizováno současným blikáním dvou signálek - "drapák otevřen" a "drapák zavřen". Druh resp. příčinu poruchy je možno odečíst buď z displeje frekvenčního měniče nebo z panelu programovatelného automatu.

Nastavení parametrů řídícího regulátoru drapáku

Za normálních okolností se provádí nastavování parametrů pomocí ovládacího panelu řídícího automatu (Power-Panel PP41). Panel obsahuje několikařádkový displej a ovládací klávesnici. Na displeji jsou zobrazeny veškeré aktuální data obou pohonů. Menu "nastavení" (SetUp-Menu) se aktivuje pomocí funkčního tlačítka F2 a zadání přístupového hesla. U všech parametrů je pro jejich snažší pochopení k dispozici také nápověda.
Nastavení parametrů je nutné pouze při prvním uvádění zařízení do provozu, za normálních okolností se provádí jejich případná kontrola nebo korekce pouze při potížích nebo poruchách.

Jeřábová sada 2.0

Jeřábová karta CRANE 2.0

Tato karta je určena pro frekvenční měniče řady Emotron VFX 2.0.

Prakticky jde o modifikaci starší jeřábové CRIO karty, s tím rozdílem, že karta CRANE 2.0 již nemá vstupy pro připojení zpětnovazebního inkrementálního snímače otáček a vstup pro připojení PTC - teplotního snímače motoru. Pro tuto možnost slouží další nová karta ENCODER 2.0 a karta PTC/PT100. Tato navíc umožňuje přímé připojení snímače teploty Pt100.

Karta CRANE 2.0 obsahuje speciální jeřábový software a hardware a byla vyvinuta firmou Emotron speciálně pro aplikace frekvenčních měničů na pohonech jeřábů.

CRIO karta zajišťuje komunikaci a kompletní logiku ovládání jeřábového pohonu. Koordinuje součinnost jednotlivých vstupních povelů a signálů s ovládáním měnič-motor.

Kromě tří základních způsobů zadávání rychlosti (čtyřstupňový ovládač, třítlačítkový systém a analogové zadávání), obsahuje karta ještě další vstupy pro zpomalovací a koncové vypínače a pro připojení termistorových čidel motoru. Samozřejmostí jsou i reléové výstupy, z nichž je vždy jeden využit pro ovládání mechanické brzdy.

Rychlá reverzace, provoz s dvěmi parametrovými sadami, předmagnetizace motoru pro rychlý start, speciální brzdné režimy apod. jsou další výhody, kterými CRIO karta disponuje.

Jeřábový interface CI

Jeřábový interface CI (Crane Interface) spolupracuje s kartou CRANE 2.0 (u měničů Emotron VFX 2.0) nebo s CRIO kartou (u měničů Vectorflux VFB/VFX).

CI slouží ke galvanickému oddělení ovládacího napětí jeřábu (většinou 220VAC) od vnitřního napětí (24VDC) jeřábové karty resp. frekvenčního měniče. Tímto je dosažena možnost pracovat přímo s ovládacím napětím 220VAC, které je na jeřábech standardně k dispozici. Toto řešení zcela eliminuje možnost rušení řídících signálů, což je u pohonů s frekvenčními velice důležité.

Karta snímače otáček ENCODER 2.0

Tato karta je určena pro frekvenční měniče řady Emotron VFX 2.0.

K ENCODER 2.0 kartě může být připojen IRC snímač s TTL nebo HTL logikou, s výstupem A, A B, B, přičemž signály A-B jsou posunuty o 90°el. Karta zajišťuje taktéž napájení pro snímač 24VDC nebo 5VDC.

Zpětnovazební inkrementální snímač otáček se nejčastěji používá u pohonů zdvihů nebo také u pohonů, kde je nutno zajistit jejich synchronní provoz, jako jsou např. synchronní provoz dvou jeřábů, pohony zdvihů se dvěma motory (traverzové nebo svitkové jeřáby, pohony lanového drapáku apod.).
Není-li požadovaná minimální rychlost zdvihu menší než 1/10 jmenovité rychlosti, pak se pohony zdvihů mohou realizovat i bez použití inkrementálního snímače otáček.
Je-li požadovaná min. rychlost zdvihu menší než 1/10 jmenovitých otáček (tzn. frekvence pod 5Hz), doporučuje se motor vybavit IRC snímačem otáček. Jedná se zejména o manipulační jeřáby, u kterých je kladen důraz na přesnost mikrozdvihu (např. jeřáby, které usazují obrobky s vysokou přesností do soustruhů apod.).

Nutnost použití zpětnovazebního snímače otáček závisí tedy na hodně aspektech a proto je nutné toto konzultovat již při zpracování projektu.