Ứng dụng của biến tần Hitachi cho cầu trụ và các máy nâng hạ 

Tổng quan

Hình 1. Tổng quan về một hệ thống cầu trục (nguồn: internet)

Các dòng biến tần Hitachi có thể được ứng dụng cho các loại cầu trục và các máy nâng hạ (cẩu trục) trong chuyển động lên xuống hoặc di chuyển ngang.
Có 2 loại máy nâng hạ cơ bản. Loại đầu tiên là máy nâng hạ sử dụng phanh hãm (load-brake hoist). Loại này có kết hợp với phanh (một thiết bị cơ khí tự khóa để cản trở chuyển động đi xuống của tải). Vì vậy, để tải có thể chuyển động xuống, động cơ cần phát ra momen hướng theo chiều đi xuống của tải. Trong trường hợp này, tải sẽ không thể đi xuống nhanh dần bởi nguyên trọng lực của bản thân nó.

Một loại khác của máy nâng hạ được gọi là máy nâng hạ không có phanh hãm (non-load brake hoist). Loại máy nâng hạ này cần momen động cơ hướng lên để giữ cho tải không đi xuống do trọng lực. Hơn thế nữa, máy nâng hạ không có phanh hãm sẽ sinh ra năng lượng ngược trở lại biến tần khi tải đi xuống. Chính vì vậy, để loại bỏ năng lượng này, ta sử dụng một thiết bị điện có tên gọi là phanh động lực – dynamic brake (DB) – trên thực tế đây có thể là một điện trở được tích hợp vào trong biến tần hoặc đi kèm bên ngoài có tác dụng loại bỏ nguồn năng lượng từ tải trả về biến tần trong quá trình hoạt động. Thuật ngữ phanh động lực (DB) được nhắc đến ở đây, ta sẽ tạm gọi là điện trở xả.

Trong trường hợp chuyển động ngang, các ứng dụng cũng giống như các máy nâng hạ không có phanh hãm, trong trường hợp này chúng không cần phải kết hợp với phanh hãm cơ khí. Hơn thế nữa, khi chuyển động ngang, mặc dù trọng lực không đóng vai trò quan trọng như chuyển động nâng hạ, nhưng trên thực tế chuyển động theo trục này vẫn sẽ sinh ra năng lượng tái sinh ở một mức độ nào đó trong quá trình thiết bị giảm tốc hoặc dừng. Chính vì vậy điện trở xả cũng được sử dụng như một giải pháp để loại bỏ nguồn năng lượng này và bảo đảm an toàn cho biến tần trong quá trình hoạt động.

Tiêu chuẩn lựa chọn

Hình 2. Hệ thống cầu trục nhà máy thủy điện Bản Chát (nguồn:hanlgroup.vn)

Tổng quan của một hệ thống cầu trục và của các máy nâng hạ phải đáp ứng được các tiêu chuẩn của CMAA [3] và HMI về mức độ an toàn cũng như các tiêu chuẩn trong quá trình hoạt động. Điều này có nghĩa rằng các phần tử cơ khí và điện phải phù hợp về kích thước để có thể nâng, hạ và dừng tải một cách an toàn. Đồng thời, công suất của biến tần và động cơ cần đủ lớn để sinh ra momen đầu trục tương ứng để giải quyết những yêu cầu trên. Điều này sẽ phụ thuộc vào thiết kế cơ khí (hộp số, …) và việc thiết kế hệ thống theo chuẩn CMAA/HMI nào.

Nhìn chung, các tiêu chuẩn công nghiệp yêu cầu toàn bộ hệ thống nâng hạ cơ – điện phải cung cấp các chức năng nhằm đảm bảo tốc độ, hành trình không được vượt quá mức cho phép và ít nhất 2 phương tiện phanh hãm. Sử dụng điện trở xả có thể là một trong nhiều giải pháp để phanh hãm tải và có thể được áp dụng để loại bỏ năng lượng tái sinh được sinh ra khi tải đi xuống.

Với các chuyển động theo trục ngang, kích thước phụ thuộc và công suất, thiết kế của hệ thống cũng như lớp CMAA mà hệ thống áp dụng. Trong chuyển động theo trục ngang, việc bảo vệ không cho vượt quá mức hành trình cho phép cũng phải được sử dụng. Như đã đề cập ở trên, điện trở xả ở đây được sử dụng để loại bỏ năng lượng tái sinh được sinh ra trong quá trình giảm tốc và dừng.

Các biến tần Hitachi trên thực tế phù hợp cho tất cả các loại cầu trục và các thiết bị nâng hạ (kiểu có phanh hãm tải, không có phanh hãm tải, hoặc chuyển động theo trục ngang). Hơn nữa, các loại biến tần này đưa ra những đường đặc tính momen tối ưu cho các ứng dụng cầu trục và thiết bị nâng hạ như momen lớn khi khởi động và khi ở vùng tốc độ thấp. Với một giá trị công suất yêu cầu, ta có thể lựa chọn được biến tần Hitachi phù hợp và các phụ kiện (board SJ-FB, 115VIF-DIN, …) đi kèm cho từng ứng dụng cụ thể. Đối với ứng dụng cầu trục và các máy nâng hạ, biến tần Hitachi có thể sử dụng là dòng sản phẩm WJ200 hoặc SJ700. Dòng WJ200 nhìn chung được sử dụng cho các ứng dụng có công suất đến 10hp và dòng SJ700 cho các ứng dụng lớn hơn 15hp. Các mẫu biến tần cụ thể để lựa chọn còn phụ thuộc vào những sự đánh giá, ví dụ như đánh giá về khía cạnh chuyển động (chuyển động lên xuống hoặc sang ngang), loại dịch vụ, …

Các máy nâng hạ có phanh hãm (load-brake hoist)

Nhìn chung, với các thiết bị nâng hạ sử dụng phanh hãm tải, ta có thể sử dụng biến tần Hitachi dòng sản phẩm WJ200 hoặc SJ700 với cấu hình mạch vòng hở. Vì trong trường hợp này, ta không cần sử dụng các thiết bị mã hóa (encoder). Biến tần sẽ cung cấp đủ momen mà không cần đến sự trợ giúp của một encoder nào cả. Điện trở xả cũng không cần sử dụng trong trường hợp này, bởi vì bản thân của phanh hãm tải đã tự giới hạn chuyển động đi xuống và hấp thụ thế năng được chuyển từ tải trả về. Cùng với biến tần, một board giao diện phụ trợ (115VIF-DIN) được đi kèm để tạo thành gói biến tần cho các thiết bị cẩu trục sử dụng phanh hãm tải. Trong loạt bài tiếp theo ta sẽ đề cập chi tiết việc đi dây và cấu hình cho board 115VIF-DIN này.

Các máy nâng hạ không sử dụng phanh hãm (non-load brake hoist)

Hình 3. WJ200, SJ700 – Giải pháp hoàn hảo
cho các ứng dụng cầu trục và thiết bị nâng hạ

Các thiết bị nâng hạ (cẩu trục) có thể sử dụng cả các biến tần mạch vòng hở và mạch vòng kín. Việc sử dụng loại biến tần nào phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của thiết bị nâng hạ và loại thiết bị sử dụng. Thuật ngữ “mạch vòng kín” sẽ giúp ta hình dung rằng động cơ (hoặc hộp số) kết hợp với encoder để cung cấp tín hiệu phản hồi tốc độ đến biến tần và tạo thành vòng kín. Vị trí đặt encoder là ở trục của động cơ. Thông qua việc sử dụng encoder, biến tần Hitachi sẽ cung cấp 1 giải pháp tốt nhất và cho các đặc tính hoạt động tốt nhất cho động cơ trong các ứng dụng máy nâng hạ không sử dụng phanh hãm. Trong một vài trường hợp, bộ giải mã encoder có thể được cài đặt sau khi đi vào hoạt động. Nhưng điều này sẽ nảy sinh ra các vấn đề về trượt hoặc giật lùi làm cho đặc tính điều chỉnh tốc độ giảm đi.

CMAA/HMI quy định ít nhất 2 sự trợ giúp về phương diện phanh hãm cũng như bảo vệ quá tốc độ với các thiết bị nâng hạ loại này. Trong trường hợp máy nâng hạ không có phanh hãm tải, tín hiệu phản hồi tốc độ trên đầu trục động cơ thông qua bộ giải mã (encoder) sẽ cung cấp tín hiệu để phục vụ cho việc bảo vệ quá tốc độ. Biến tần Hitachi mạch vòng kín được sử dụng rất phổ biến cho các thiết bị nâng hạ không có phanh hãm tải kiểu này. Trong các dòng sản phẩm biến tần Hitachi, SJ700 có thể được sử dụng cho các ứng dụng mạch vòng kín bởi vì nó có khe cắm board nằm ở bên trong, khe cắm này có thể sử dụng để cắm board encoder phản hồi tín hiệu SJ-FB. Các tín hiệu encoder được đi dây vào board SJ-FB. Tuy nhiên, phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của thiết bị nâng hạ, trong một số trường hợp các biến tần mạch vòng hở (không có phản hồi thông qua encoder) vẫn có thể được sử dụng. Trong trường hợp này, bảo vệ quá tốc độ cần được trợ giúp thông qua các liên kết về cơ khí.

Điện trở xả hoặc các phần tử xả là một phương pháp truyền thống trong việc giải quyết với năng lượng tái sinh và được sử dụng cho hầu hết các thiết bị nâng hạ không sử dụng phanh hãm. Trong khi phương pháp hãm đầu tiên luôn là một vài kiểu phanh hãm cơ điện thì đây được xem như là phương pháp hãm tải thứ hai cho các loại máy nâng hạ này. Ta có thể sử dụng biểu đồ chọn lựa đã được phát triển bởi Hitachi để chọn ra các giải pháp phanh hãm phù hợp, các yếu tố lựa chọn phụ thuộc vào công suất (hp), trục (nâng, hạ hoặc di chuyển ngang) và loại tiêu chuẩn CMAA/HMI.
Cuối cùng, 1 board giao diện treo (115VIF-DIN) được yêu cầu sử dụng để hoàn thành gói biến tần cho các ứng dụng thiết bị nâng hạ (cẩu trục) loại này.

Trục ngang (xe con)

Toàn bộ các ứng dụng cho chuyển động ngang thuộc loại mạch vòng hở, nên ta không cần sử dụng các board phản hồi và các encoder mã hóa. WJ200 có thể được sử dụng với các ứng dụng công suất dưới 10hp và biến tần loại SJ700 được sử dụng cho công suất từ 15hp trở lên. Điện trở xả hoặc các phần tử xả có thể được sử dụng.

Ưu điểm của việc sử dụng biến tần Hitachi

Hình 4. Biến tần Hitachi – Người bạn đồng hành đáng tin cậy
trong các ứng dụng cầu trục và thiết bị nâng hạ

Các biến tần Hitachi có đặc tính hoạt động tốt, mạnh mẽ và đáng tin cậy. Chúng bao gồm rất nhiều các chức năng phát hiện và chẩn đoán lỗi, sự cố giúp cho việc hoạt động được an toàn. Chúng được sử dụng cho các ứng dụng cần trục, cẩu trục thông qua một board giao diện được phát triển độc quyền bởi Hitachi. Đây là 1 board giá thành không cao nhưng có các đặc điểm rất tốt như các đầu vào được cách ly quang, chuyển các tín hiệu phụ trợ và xử lý các tín hiệu logic cần thiết cũng như có các chức năng an toàn cho việc điều khiển cầu trục và các thiết bị nâng hạ (cẩu trục).
Mạch hãm động lực sử dụng điện trở xả được tích hợp trong tất cả các dòng sản phẩm lên đến 30hp hoặc các bộ phận hãm động lực được nối bên ngoài với giá thành phù hợp cho các công suất lớn hơn.

Đặc điểm nổi bật nữa của biến tần WJ200 và SJ700 là bộ điều khiển logic được xây dựng bên trong các biến tần được gọi là EZ Sequence (EzSQ). Điều này giúp cho ta có thể lập trình hoạt động cho các biến tần. Với việc đổ các chương trình EzSQ (đã lập trình cụ thể cho ứng dụng cầu trục và thiết bị nâng hạ) xuống biến tần, WJ200 và SJ700 có thể phân phối momen tối ưu và bảo đảm động cơ cũng như hệ thống làm việc với độ an toàn cao nhất.

Các biến tần Hitachi có nét nổi bật nữa đó là phần mềm cấu hình trên PC rất mạnh, đó là phần mềm ProDriveNext – một hỗ trợ công nghệ tuyệt vời – giúp cho việc giao tiếp giữa người sử dụng và biến tần trở nên thân thiện hơn bao giờ hết. Và cuối cùng biến Hitachi là một hãng biến tần tốt nhất mà bạn có thể lựa chọn cho các ứng dụng cầu trục và các thiết bị nâng hạ của bạn.

Tài liệu tham khảo:

[1] Hitachi America, Ltd., (2013): AC inverter, Application Note: Applying Hitachi Inverters to Cranes & Hoists.
[2] Hitachi America, Ltd., (January, 2013): 115VIF-DIN Instruction & Software Manual for Crane and Hoist Pendant Applications.
[3] CMAA Crane Classification. Retrieved July 1, 2013, from http://www.mhi.org/cmaa.
[4] http://hanlgroup.vn/san-pham-hitachi.html.

KS. Tô Minh Tiến – Hải Anh JSC
Haianhjsc.vn