匯川變頻器在塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用

   摘要：本文介紹目前國(guó)內(nèi)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)幾種主要調(diào)速方式，指出了各種方式的優(yōu)劣和適用范圍；針對(duì)4繩最大起重量小于等于6t的小中型塔機(jī)提出了使用交流變頻調(diào)速方式，使用匯川矢量變頻器實(shí)現(xiàn)，給出了完善的解決方案。 
　　塔式起重機(jī)針對(duì)建筑施工中的模板工藝而進(jìn)行研發(fā)，適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工業(yè)與民用建筑施工中建筑材料與構(gòu)件的起重吊運(yùn)。 
　　1．目前國(guó)內(nèi)起升機(jī)構(gòu)的主要調(diào)速方式 
　　起升機(jī)構(gòu)是塔式起重機(jī)最重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前傳統(tǒng)調(diào)速方式下要求重載低速，輕載高速，調(diào)速范圍大；起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方式的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能。起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方式選擇原則有三個(gè)：首先要平穩(wěn)，沖擊?。黄浯我?jīng)濟(jì)和可靠，符合國(guó)情；三是要便于維修。 
　　1.1 多速電機(jī)變極調(diào)速 
　　4繩最大起重量小于等于6T的小中型塔機(jī)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成本控制嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)以多速電機(jī)變極調(diào)速為主，方案簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣，常采用4/8/32極多速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 
　　1.2 電磁離合器換檔的減速器加帶渦流制動(dòng)的單速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī) 
　　該調(diào)速方式我國(guó)已采用幾十年，但現(xiàn)在已逐漸不再使用。它靠電磁離合器換檔改變減速器的速比，靠帶渦流制動(dòng)的單速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)串電阻獲取較軟的特性和慢就位速度。它的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行比效平穩(wěn)，調(diào)速比可以設(shè)計(jì)較大。它的缺點(diǎn)較多，首先電磁離合器一般采用國(guó)產(chǎn)機(jī)床用產(chǎn)品，壽命短，可靠性差；其次是不能空中動(dòng)態(tài)變換離合器檔位，不然會(huì)下滑，這很危險(xiǎn)；三是減速器成本較高。 
　　1.3 普通減速器加帶渦流制動(dòng)的多速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī) 
　　將上一種方式的電磁離合器換檔改為多速電機(jī)驅(qū)動(dòng)普通單速比減速器則是本方式的思路。相對(duì)于多速電機(jī)換檔沖擊大的缺點(diǎn)，帶渦流制動(dòng)的多速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)可串電阻獲取較軟的M-n特性，起制動(dòng)和檔位切換較平穩(wěn)，有慢就位速度，功率可以比鼠籠電機(jī)用得大。這種調(diào)速方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，易維護(hù)，可靠性高。目前已成功地解決了渦流制動(dòng)繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)散熱問(wèn)題，大大提高了這種調(diào)速方式的可靠性。 
　　目前國(guó)內(nèi)8～12t起升機(jī)構(gòu)大多采用這種調(diào)速方式，但是這種電機(jī)起制動(dòng)和換檔仍有較大的峰值電流和沖擊，電氣控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，16t以上的大噸位起升機(jī)構(gòu)一般不宜再采用這種調(diào)速方式。 
　　1.4 差動(dòng)行星減速器加雙電機(jī) 
　　行星減速器的太陽(yáng)輪由一臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，行星架由另一臺(tái)電機(jī)經(jīng)行星減速驅(qū)動(dòng)，外軌道的內(nèi)齒圈固定在起升卷筒上。這就是差動(dòng)行星減速器的構(gòu)造。行星系確定為某一合適參數(shù)后，卷筒轉(zhuǎn)速就取決于兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，同向快速，反向慢速。如果是單速電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)則有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)與另一臺(tái)電機(jī)相配，因此速度檔位很多。如果用多速電機(jī)，速度檔位就更多了，這就是差動(dòng)調(diào)速原理。電機(jī)可用鼠籠或變頻與鼠籠相結(jié)合，較小噸位用鼠籠，大噸位用變頻與鼠籠相結(jié)合。這種方式調(diào)速比大，完全能滿足重載低速、輕載高速的要求，而且可靠性高，特別適合于大噸位起升機(jī)構(gòu)。 
　　但差動(dòng)行星減速器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般要非標(biāo)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，加上雙電機(jī)，成本較高，控制復(fù)雜。主機(jī)生產(chǎn)廠家采用的不多。 
　　1.5 變頻調(diào)速 
　　變頻調(diào)速是當(dāng)今最先進(jìn)的交流調(diào)速方式。隨著國(guó)際變頻器價(jià)格的逐步下降，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。國(guó)內(nèi)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用已多年，效果良好，但使用面不廣。它的優(yōu)點(diǎn)是慢就位速度可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)沖擊，能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)件的壽命，對(duì)鋼絲繩排繩和壽命大有裨益，同時(shí)提高了塔機(jī)的安全性。 
　　但其在起升機(jī)構(gòu)使用面很窄，一是進(jìn)口變頻器仍然較貴，國(guó)產(chǎn)變頻器不過(guò)關(guān)；二是變頻器一旦出了問(wèn)題，一般修不了，大多只能換新；變頻調(diào)速由于成本高，一般中小噸位起升機(jī)構(gòu)應(yīng)用少，大噸位則較多。變速調(diào)速在中小噸位大面積使用，只有等待國(guó)產(chǎn)變頻器的崛起。 
　　2．變頻器在塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的方案 
　　塔式起重機(jī)在起升機(jī)構(gòu)中應(yīng)用變頻技術(shù)以日本安川變頻器為主，主要應(yīng)用于中大塔機(jī)，同時(shí)4繩最大起重量小于等于6T的小中型塔機(jī)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成本控制嚴(yán)格，所以變頻器應(yīng)用極少。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)變頻器技術(shù)日益成熟，價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，應(yīng)用于中小塔機(jī)已經(jīng)成為可能。
      2.1匯川變頻器簡(jiǎn)介  
　　MD系列變頻器是深圳匯川技術(shù)有限公司推出的代表未來(lái)變頻器發(fā)展方向的新一代模塊化高性能變頻器。與傳統(tǒng)意義上的變頻器相比，在滿足客戶不同性能、功能需求方面，它不是通過(guò)多個(gè)系列產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)（從而增加額外的制造、銷售、使用、維護(hù)成本），而是在客戶需求合理細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)單系列產(chǎn)品的多模塊組合，創(chuàng)建一個(gè)客戶化量身定做的平臺(tái)。是國(guó)內(nèi)少有的幾家真正擁有磁通矢量技術(shù)的變頻器。  
　　該系列變頻器采用優(yōu)良的無(wú)速度矢量控制策略使其具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，能保證在負(fù)載頻繁波動(dòng)的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點(diǎn)：  
　　2.1.1可靠性  
　　完善的可靠性設(shè)計(jì)方案：如冗余設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級(jí)；專業(yè)化的制作平臺(tái)，從而保證整機(jī)的可靠性。  
　　2.1.2 軟啟動(dòng)  
　　相比工頻起動(dòng)方式，采用變頻器控制可以減小機(jī)械部分震動(dòng)和構(gòu)假的沖擊，為用戶節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用，運(yùn)行穩(wěn)定。  
　　2.1.3 高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩  
　　采用高性能磁通矢量控制模式，低頻段提供穩(wěn)定高輸出轉(zhuǎn)矩。  
　　2.2工藝介紹  
　　中小型塔式起重機(jī)典型規(guī)格QTZ315塔式起重機(jī)，應(yīng)用廣泛；2倍率主要技術(shù)指標(biāo)為：最大起升重量3T，起升速度52/26/5.5m/min，起升機(jī)構(gòu)15/15/5.5KW的4/8/32多極電機(jī)，減速機(jī)速比I=12.5，滾筒直徑300mm。  
　　對(duì)于中小型塔式起重機(jī)最關(guān)鍵的指標(biāo)是最大起升重量3T，滾筒直徑300mm不能有太大變化，對(duì)速度的要求也比較高。選用變頻調(diào)速方式，需要對(duì)相關(guān)設(shè)備和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。  
　　2.3 參數(shù)計(jì)算  
　　起重機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)由主令控制器或電位器做為輸入給定，通過(guò)變頻調(diào)頻調(diào)速電控設(shè)備、荷重測(cè)控儀、限位開(kāi)關(guān)、制動(dòng)器等配合使用，來(lái)控制起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)等交流變頻異步電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)、可逆運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)速。  
　　設(shè)備選型參數(shù)：動(dòng)滑輪2倍率，起升機(jī)構(gòu)18.5KW的4極異步鼠籠電機(jī)，減速機(jī)速比I=31.5；滾筒直徑300mm，即I=31.5,R=D/2=150mm=0.15m,Nn=1450轉(zhuǎn)/分,Pn=18.5KW。  
　　2.3.1 最大起升重量的計(jì)算  
　　Pn=2*π*Nn*Tn/60*1000  
　　得：Tn= Pn*1000*60/2*π* Nn=18.5*1000*60/2π*1450=121.9Nm  
得理論起升重量為：F=2*Tn*I*/R*10000=2*121.9*31.5/0.15*10000=5.1198T  
考慮傳動(dòng)效率為0.64，則最大起升重量為：Fmax=0.64*F=0.64*5.1198=3.28T  
　　與要求的最大起升重量相比有1.1倍保險(xiǎn)系數(shù)，基本符合要求。  
　　2.3.2最大起升速度計(jì)算  
　　Vmax=π*D*Nn/2*I=π*0.3*1450/2*31.5=21.7 m/min  
　　根據(jù)上式可知，變頻模式下，電機(jī)的最大起升速度降低了很多，主要是考慮到節(jié)約成本，在市場(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)硬件成本估算到最優(yōu)化；通過(guò)縮短啟動(dòng)和就位時(shí)間，空鉤高于50HZ運(yùn)行等多種協(xié)調(diào)方法，使得實(shí)踐中并不明顯感覺(jué)速度減慢。  
　　2.4性能特點(diǎn)  
　　采用先進(jìn)的現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)塔式起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使起重機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運(yùn)行效率，改善超負(fù)荷作業(yè)，消除起制動(dòng)沖擊，減少電氣維護(hù)，降低電能消耗，提高功缺因數(shù)等均可取得良好實(shí)效。同時(shí)還具有過(guò)電流、過(guò)電壓、欠電壓和輸入缺相保護(hù)，以及變頻器超溫、超載、超速、制動(dòng)單元過(guò)熱、I/O故障保護(hù)、電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)等，變頻調(diào)速方法具有如下顯著特點(diǎn)：  
　　2.4.1調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；  
　　2.4.2軟啟動(dòng)、軟停止的功能降低了機(jī)械傳動(dòng)沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長(zhǎng)了起重機(jī)的使用壽命；  
　　2.4.3高集成度組件及高可靠性低壓電器，有效解決原電氣系統(tǒng)接線復(fù)雜問(wèn)題，不僅降低了系統(tǒng)故障機(jī)率，而且易維護(hù)；  
　　2.4.4電動(dòng)機(jī)在零速時(shí)，能全力矩輸出，即使制動(dòng)器松動(dòng)或失靈時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠；  
　　2.4.5具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)溜鉤并真正實(shí)現(xiàn)“零速交叉”功能；  
　　2.4.6專用負(fù)荷重量測(cè)控儀并配以相應(yīng)軟件，起升速度可隨負(fù)荷重量變化自切換，實(shí)現(xiàn)“輕載快速，重載慢速”的作業(yè)要求；  
　　2.4.7系統(tǒng)所用變頻器，具有自動(dòng)節(jié)能操作模式，能較大提高系統(tǒng)的功率因數(shù)和整機(jī)工作效率，節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率可達(dá)20%以上；  
      3．結(jié)束語(yǔ)  
　　迄今為止，該設(shè)計(jì)無(wú)速度矢量變頻調(diào)速的塔式起重機(jī)試機(jī)已三個(gè)月，整機(jī)設(shè)備運(yùn)行良好，并接受定單4臺(tái)。  
　　目前塔式起重機(jī)方式絕大多數(shù)采用有級(jí)調(diào)速，無(wú)級(jí)調(diào)速盡管是發(fā)展方向，但仍然受到成本等方面的限制。筆者曾做過(guò)測(cè)算，采用如上所述類似的不增大變頻器選型，適當(dāng)犧牲速度的方法，變頻無(wú)級(jí)調(diào)速的成本與帶渦流制動(dòng)的多速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)變極調(diào)速差距不大，性能卻有很大提高，可見(jiàn)意義重大。  
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