摘要：本文简单介绍了施耐德变频器ATV71在起重机械应用领域上的特点和优势，并结合工程案例，给出了具体的硬件设计方案和调试步骤。并罗列了常见的故障代码、可能原因及修复措施，为进一步发挥ATV71变频器在起重机械领域内的优势提供了基础。
1引言
南欧江六级水电站位于老挝人民民主共和国丰沙里省境内，为南欧江七级开发方案的第六级（自下而上），电站以发电为主，装机容量180MW。主厂房内一台套150t+150t/10t电动双梁桥式起重机主要用于3台立轴水轮发电机组及其附属设备的安装及检修。定转子采用平衡梁起吊，其余设备大部分采用钢丝绳起吊。发电机转子连轴约240t（不含平衡梁）将由双小车抬吊完成。
本桥机为双小车桥式起重机，本桥机的电气系统分为：供电系统、起升机构（分1#小车起升机构、2#小车起升机构）、小车运行机构（分1#小车运行机构、、2#小车运行机构）、大车运行机构、电动葫芦机构、信号监测系统、信号指示、照明接地系统等几个部分组成。其中两小车起升和小车机构技术参数完全一致。电气传动系统采用施耐德公司生产的变频器ATV71系列变频器，充分利用装置内置的机械抱闸逻辑来控制起升机构的抱闸，以防止溜钩现象的出现，省却了起升运用宏，但达到了变频器专用起重宏的作用。同时起升变频传动系统建立了闭环控制，通过增大闭环编码器的检测频率。确保起升机构在1:20调速比下能稳定运行。
2施耐德ATV71简介：
施耐德ATV71变频器自2005年登陆中国市场以来，凭借其优异的性能、灵活的选件而广泛运用于各行各业。尤其在电机控制性能方面，针对不同的使用场合开发了闭环矢量、开环电流矢量、开环电压矢量、V/F、同步电机五种控制算法。它在起重领域主要具有如下优势和特点：
1）抱闸逻辑控制
2）负载测量
3）高速提升（轻载升速）功能
4）客户定制加减速曲线
5）力矩控制
6）转矩均衡
7）停电情况下的紧急运行模式
8）报警和故障处理
9）带PTC探针的电机保护
10）大车纠偏
11）起升和小车同步
12）防摇控制
13）定位控制
3起升变频控制技术的运用
传统的起升机构调速系统主要是采用转子串电阻或涡流调速，其传动系统机械特性软，调速范围狭窄，整个系统速度的稳定性和调速精度较差；起制动不平稳，对整机钢结构冲击很大；尤其是空中起吊易发生溜钩现象，严重影响了起重机械的安全运行。为此，本桥机起升机构采用了施耐德ATV71变频器作为调速传动装置。具体方案如下：
桥机的起升机构(如图1所示）包括1#起升机构和2#起升机构，两机构分别由一台YZP315S-6-TH，90KW变频电机驱动，每台电机由一台ATV71HC13N4变频器拖动，为提高低速性能和系统可靠性，起升系统通过编码器HLE-1024L-3F.A构成闭环矢量控制系统，大大改善了变频器速度和力矩控制精度，调速精度可达±0.01%，为定转子平衡梁抬吊建立了基础。
图1起升机构布置图
起升速度：
重载（≥30t）：0.3~3.0m/min
轻载（＜30t）：0.3~6.0m/min。
起升机构采用主令控制器控制，有挡位无级调速方式，速度分为五挡，重载时上下各为10%、30%、50%、70%、100%额定速度，轻载时上下各为10%、50%、100%、150%、200%额定速度，轻、重载速度转换由荷重仪来自动判断，无需人工干预，其过渡过程平稳无冲击。抬吊时两起升机构构成了主从随动控制系统，两机构通过高度检测，主从纠偏，以确保两吊点差控制在50mm以内，保证了定转子平衡梁抬吊时的水平度。具体电气原理图如下图2所示：
图2起升电气控制原理图
4小车变频控制技术的运用
小车运行机构包括1#小车运行机构和2#小车运行机构，两机构分别由两台三合一DV100M42.2KW变频电机驱动，采用一台ATV71HU75N4变频器拖动，开环控制。
运行速度：1.2~12m/min，采用主令控制器控制，前后速度各为五挡，分别为10%、30%、50%、70%、100%额定速度。起动、停止平稳无冲击。抬吊时两小车运行机构由同一操作手柄给定运行及速度指令，同时两小车采用了刚性联结，确保两机构同步运行。其电气原理图如下图3所示：
图3小车电气控制原理图
5大车变频控制技术的运用
大车运行机构由四台三合一DV132S45.5KW变频电机驱动，采用一台ATV71HD30N4变频器拖动，开环控制。
运行速度：2~20m/min，采用主令控制器控制，左右速度各为五挡，分别为10%、30%、50%、70%、100%额定速度，起动、制动平稳无冲击。其电气原理图如下图4所示：
图4大车电气控制原理图
6系统调试（起升）
6.1首先检查各功率端子和控制端子一定要安装紧固；
1）动力直流母线端子PO--PA+之间的短接铜片一定要保持紧固；
2）控制端子的PWR--+24V之间的短接片一定要保持连接，否则变频器将显示状态PRA并且不能正常输出。
6.2可靠连接各保护地和屏蔽地。
以下以起升机构为例，阐述具体的调试步骤：
第一步设置提升应用宏
在简单起动菜单中，设置宏配置参数CFG=提升，这样它的很多设定包括端子分配被修改为适用于典型的提升控制，如端子分配：
LI1：上升；LI2：下降；LI3：故障复位（脉冲激活）；LI4：外部故障；LI5：未设置；LI6：未设置；R1：故障接点；R2：制动逻辑控制
注意：1）这里故障接点R1带有常开常闭接点R1A-R1C-R1B，其中R1C为公共点，接点状态：当变频器上电且没有故障时，R1A-R1C闭合，R1B-R1C断开；变频器出现故障或没有上电时，R1A-R1C断开，R1B-R1C闭合。使用这个接点进行故障报警或作为控制条件时要正确选择接点。
2）当设置为提升宏后，输出缺相保护激活并且不能修改，这样当不带电机进行试验时将受到一些影响。
第二步电机铭牌参数的输入与参数优化
在电机控制菜单中，我们需要输入以下电机铭牌参数，目的是为了让变频器识别电机的电气指标，以便实现最优控制。电机参数输入不正确会引起输出的不稳定，导致电机的剧烈振动，额外发热及变频器的损坏。
本机起升机构的电机参数如下：
1）额定功率：90KW
2）额定电压：380V
3）额定电流：182A
4）额定频率：50Hz
5）额定速度：735r/min
上述参数设定后，变频器将能够正确识别和控制电机。为了实现最佳控制，需执行电机参数自整定。注意：电机参数自整定只能在变频器可靠连接匹配的电机后才可以进行，如果不带电机或电机和变频器的规格不匹配就不能进行自整定。
自整定：将NO改为YES，变频器将向电机注入一定次序的电压和电流。可以在操作器上看到运行电流在变化，但电机不会转动，这一点施耐德和别的品牌不一样，它不需要将电机与负载脱开就可以进行自整定，这也是施耐德技高一筹的地方。
第三步设置抱闸控制逻辑
起升的速度给定为模拟量输入，不需要做速度给定的设定，变频器的速度给定系统会自动识别。接下来设置抱闸控制逻辑：
在1.7“应用功能”菜单中，找到“制动控制逻辑”功能，适当设置如下参数：
运动类型垂直升降
制动脉冲YES
刹车释放电流59A
刹车释放频率2Hz（电机滑差频率）
抱闸频率2Hz（电机滑差频率）
刹车闭合动作延时0.1秒
第四步在1.3“设置”菜单中设置：
低速频率5Hz（第一段速频率）
高速频率可能的最高频率
速度环比例增益40%
至此，变频器的设置基本完成。施耐德变频器的调试相对其他品牌要简单得多，具体设置的参数如下表一所示：
表一起升机构变频器参数设置表
1.1简单起动
参数名称
设置值
说明
宏设置
起重提升
1.3设置
参数名称
设置值
说明
低速频率
5HZ
第一段速
高速频率
50HZ
最高速
电机热保护电流
230A
1.25~1.5倍电机额定电流
速度环比例增益
40%
当电机启动或运行时有较大振动，减小此值。
100%
1.4电机控制
参数名称
设置值
说明
标准电机频率
50HZ
默认
电机额定功率
90KW
电机铭牌
电机额定电压
380V
电机铭牌
电机额定电流
182A
电机铭牌
电机额定频率
50Hz
电机铭牌
电机额定速度
735r/min
电机铭牌
最大输出频率
50Hz
默认
自整定 (tUn)
请求自整定
V/F控制不做。
自整定状态
显示：“电阻已整定”
整定完成后显示电阻已整定,整定失败后显示NO
编码器信号类型
AABB
默认值
脉冲数量
1024
默认值
编码器检查
YES
激活监视编码器功能
运行电机至少3秒钟，速度110r/min。未过，“改变输出相序”再作，直到显示“Done”。
电机控制类型
闭环
闭环矢量控制，用于带编码器的速度闭环控制，
滑差补偿
100%
矢量控制有效
编码器用途
调节和监视
电机控制类型设“闭环”时，自动变成“调节和监视”
1.8 故障管理
参数名称
设置值
说明
故障复位
LI4
默认“未分配”
外部故障
未分配
默认“未分配”
制动单元保护
忽略报警
变频器没有连接电阻器，使用此设置
1.7 应用功能
参数名称
设置值
说明
斜坡
“线性”
斜坡类型
3S
3S
no
制动逻辑控制
制动逻辑控制
R2
制动分配，默认值：“未设置”
垂直升降”
运动类型
制动脉冲：默认值：“无”。起升机构选：“是”
182A
刹车释放电流正向
0.5S
自动
刹车释放频率：闭环自动，开环2HZ左右
自动
抱闸频率：闭环自动，开环2HZ左右
0.5S
1.2 监视 可以监控变频器I/O点及其他数据的当前值
参数名称
设置值
说明
输入/ 输出(I/O) 映像
逻辑输入LI1至LI8的状态
4位7段码对应LI1到LI8的值，详见编程手册P52
1.12 恢复出厂设置
参数名称
设置值
说明
设置源选择
宏设置
源为出厂值
参数组列表
全部
也可以选择部分参数
回到出厂设置
Yes
7常见故障代码及处理
调试时难免会出现各式各样的问题,但必须保证在整个运行过程中，电流不超过变频器额定电流的150%,下表为试运行时常见的故障代码及修复措施:
故障代码
名称
可能原因
修复措施
AnF
速度超差
编码器速度反馈与给定值不匹配
1）检查电机、增益和稳定性参数；
2）添加制动电阻器；
3）检查电机 变频器 负载的大小；
4）检查编码器的机械连轴器及其连线。
brF
机械制动
制动反馈触点与制动逻辑控制不匹配
1）检查反馈电路以及制动逻辑电路；
2）检查制动器的机械状态。
OCF
过流
1） 设置 (SEt-) 与[电机控制] (drC-)菜单中的参数不正确； 2）惯量或载荷太大；
3）机械锁定。
1）检查参数；
2）检查电机、变频器、负载的大小；
3）惯量或载荷太大；
4）检查机械装置的状态。
SCF1
SCF2
SCF3
电机短路
有阻抗短路接地短路
变频器输出短路或接地
检查变频器与电机之间的电缆连接情况以及电机的绝缘情况
SOF
超速
不稳定或驱动负载太大
1）检查电机、增益和稳定性参数；
2）添加一个制动电阻器；
3）检查电机、变频器、负载的大小
SPF
速度反馈丢失
没有编码器反馈信号
1）检查编码器与变频器之间的连线情况；
2）检查编码器。
tnF
自整定故障
特种电机或功率不适合变频器的电机
1）电机没有与变频器连接；2） 检查并确认电机、变频器互相适用；
3）检查并确认在自整定期间电机存在。
ObF
制动过速
制动过猛或驱动载荷
2）如有必要，安装一个制动电阻器；
OHF
变频器过热
变频器温度太高
1）检查电机负载、变频器的通风情况及周围温度；
2）应等变频器冷却下来。
OLF
电机过热
由于电机电流太大而触发的故障
1）检查电机热保护的设置；2）检查电机负载；
3）在重起动前应等变频器冷却下来。
OSF
输入过电压
主电压太高。主电源失常
检查主电压。
OtF1
PTC 1 过热
发现电机1上的PTC探头过热
1）检查电机负载及尺寸；
2）检查电机通风情况；
3）在重起动前等待电机冷却下来；
4）检查PTC 探头的类型及状态。
8结束语
施耐德ATV71变频器应用在老挝南欧江六级水电站150t+150t双小车桥式起重机电气传动系统中，经调试：两吊点起制动非常平稳，钢结构冲击小，并能很好地控制机构抱闸系统，彻底解决了起升溜钩疑难问题，同时实现了两吊点的同步控制。该系统以其良好的稳定性、可靠性和安全性而深受用户好评。
作者简介
张煜明(1964-),男,教授级高级工程师,在水利部杭州机械设计研究所工作,主要从事起重机械电气传动与控制系统的设计与研究。