汇川变频器在塔式起重机起升机构的应用

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摘要：本文介绍目前国内塔机起升机构几种主要调速方式，指出了各种方式的优劣和适用范围；针对4绳最大起重量小于等于6t的小中型塔机提出了使用交流变频调速方式，使用汇川矢量变频器实现，给出了完善的解决方案。
　　塔式起重机针对建筑施工中的模板工艺而进行研发，适用于钢筋混凝土结构的工业与民用建筑施工中建筑材料与构件的起重吊运。
　　1．目前国内起升机构的主要调速方式
" L) m; \  J5 p) w% B' ]. S　　起升机构是塔式起重机最重要的传动机构，目前传统调速方式下要求重载低速，轻载高速，调速范围大；起升机构调速方式的优劣直接影响整机性能。起升机构调速方式选择原则有三个：首先要平稳，冲击小；其次要经济和可靠，符合国情；三是要便于维修。
　　1.1 多速电机变极调速
1 ]# E4 ]5 ], @' q1 c, c　　4绳最大起重量小于等于6T的小中型塔机竞争激烈，成本控制严格，国内以多速电机变极调速为主，方案简单，应用较广，常采用4/8/32极多速电机实现。
　　1.2 电磁离合器换档的减速器加带涡流制动的单速绕线转子电机
　　该调速方式我国已采用几十年，但现在已逐渐不再使用。它靠电磁离合器换档改变减速器的速比，靠带涡流制动的单速绕线转子电机串电阻获取较软的特性和慢就位速度。它的优点是运行比效平稳，调速比可以设计较大。它的缺点较多，首先电磁离合器一般采用国产机床用产品，寿命短，可靠性差；其次是不能空中动态变换离合器档位，不然会下滑，这很危险；三是减速器成本较高。
; O" W* e; C: i# j1 E  t! I　　1.3 普通减速器加带涡流制动的多速绕线转子电机
　　将上一种方式的电磁离合器换档改为多速电机驱动普通单速比减速器则是本方式的思路。相对于多速电机换档冲击大的缺点，带涡流制动的多速绕线转子电机可串电阻获取较软的M-n特性，起制动和档位切换较平稳，有慢就位速度，功率可以比鼠笼电机用得大。这种调速方式构造简单，易维护，可靠性高。目前已成功地解决了涡流制动绕线转子电机散热问题，大大提高了这种调速方式的可靠性。
  p6 z7 }  o" N4 ~" f7 S" j9 ?; t　　目前国内8～12t起升机构大多采用这种调速方式，但是这种电机起制动和换档仍有较大的峰值电流和冲击，电气控制系统比较复杂，16t以上的大吨位起升机构一般不宜再采用这种调速方式。
! K& d9 |% f8 u( R1 i　　1.4 差动行星减速器加双电机
　　行星减速器的太阳轮由一台电机驱动，行星架由另一台电机经行星减速驱动，外轨道的内齿圈固定在起升卷筒上。这就是差动行星减速器的构造。行星系确定为某一合适参数后，卷筒转速就取决于两台电机的转速和转向，同向快速，反向慢速。如果是单速电机，每台电机则有正转、反转和停止三种状态与另一台电机相配，因此速度档位很多。如果用多速电机，速度档位就更多了，这就是差动调速原理。电机可用鼠笼或变频与鼠笼相结合，较小吨位用鼠笼，大吨位用变频与鼠笼相结合。这种方式调速比大，完全能满足重载低速、轻载高速的要求，而且可靠性高，特别适合于大吨位起升机构。
　　但差动行星减速器结构复杂，一般要非标设计与生产，加上双电机，成本较高，控制复杂。主机生产厂家采用的不多。
7 i9 s0 W' z7 \6 Y7 I8 Q　　1.5 变频调速
) _) Z; Q- A, K" t2 X+ }　　变频调速是当今最先进的交流调速方式。随着国际变频器价格的逐步下降，变频调速技术应用越来越广泛。国内塔机起升机构的应用已多年，效果良好，但使用面不广。它的优点是慢就位速度可长时间运行，实现零速制动，运行平稳无冲击，能延长结构和传动件的寿命，对钢丝绳排绳和寿命大有裨益，同时提高了塔机的安全性。
7 c$ o. _5 l) X7 e　　但其在起升机构使用面很窄，一是进口变频器仍然较贵，国产变频器不过关；二是变频器一旦出了问题，一般修不了，大多只能换新；变频调速由于成本高，一般中小吨位起升机构应用少，大吨位则较多。变速调速在中小吨位大面积使用，只有等待国产变频器的崛起。
# f. L7 P' |$ K- U. Y) M* ?　　2．变频器在塔式起重机起升机构的方案
2 t, Q3 S0 L( [1 L2 k5 B% l　　塔式起重机在起升机构中应用变频技术以日本安川变频器为主，主要应用于中大塔机，同时4绳最大起重量小于等于6T的小中型塔机竞争激烈，成本控制严格，所以变频器应用极少。随着电力电子技术的发展，国产变频器技术日益成熟，价格优势明显，应用于中小塔机已经成为可能。
2.1汇川变频器简介
　　MD系列变频器是深圳汇川技术有限公司推出的代表未来变频器发展方向的新一代模块化高性能变频器。与传统意义上的变频器相比，在满足客户不同性能、功能需求方面，它不是通过多个系列产品来实现（从而增加额外的制造、销售、使用、维护成本），而是在客户需求合理细分的基础上，进行模块化设计，通过单系列产品的多模块组合，创建一个客户化量身定做的平台。是国内少有的几家真正拥有磁通矢量技术的变频器。
　　该系列变频器采用优良的无速度矢量控制策略使其具有较快的动态响应，先进的电流限制技术和硬件优化设计，能保证在负载频繁波动的情况下，变频器不跳闸。并具有以下特点：
) E# \  w) c/ F  r" l& J9 A* G　　2.1.1可靠性
　　完善的可靠性设计方案：如冗余设计，降额设计等，所有元器件全部采用工业或军工等级；专业化的制作平台，从而保证整机的可靠性。
　　2.1.2 软启动
8 C( J, q% N+ i　　相比工频起动方式，采用变频器控制可以减小机械部分震动和构假的冲击，为用户节省了维护的费用，运行稳定。
　　2.1.3 高启动转矩
　　采用高性能磁通矢量控制模式，低频段提供稳定高输出转矩。
　　2.2工艺介绍
$ A  k  g7 b6 ?4 N! O　　中小型塔式起重机典型规格QTZ315塔式起重机，应用广泛；2倍率主要技术指标为：最大起升重量3T，起升速度52/26/5.5m/min，起升机构15/15/5.5KW的4/8/32多极电机，减速机速比I=12.5，滚筒直径300mm。
' `1 B1 f/ b  b1 i　　对于中小型塔式起重机最关键的指标是最大起升重量3T，滚筒直径300mm不能有太大变化，对速度的要求也比较高。选用变频调速方式，需要对相关设备和技术指标进行适当的调整。
5 L3 F. {3 T# Y. S1 A& Y% v　　2.3 参数计算
( r0 B) }* h0 A　　起重机变频调速系统由主令控制器或电位器做为输入给定，通过变频调频调速电控设备、荷重测控仪、限位开关、制动器等配合使用，来控制起重机的起升机构等交流变频异步电动机起、制动、可逆运转与调速。
" l. s: O- F7 G: K　　设备选型参数：动滑轮2倍率，起升机构18.5KW的4极异步鼠笼电机，减速机速比I=31.5；滚筒直径300mm，即I=31.5,R=D/2=150mm=0.15m,Nn=1450转/分,Pn=18.5KW。
　　2.3.1 最大起升重量的计算
　　Pn=2*π*Nn*Tn/60*1000
　　得：Tn= Pn*1000*60/2*π* Nn=18.5*1000*60/2π*1450=121.9Nm
. J$ Z$ c4 q' [" D* E得理论起升重量为：F=2*Tn*I*/R*10000=2*121.9*31.5/0.15*10000=5.1198T
3 O  \% @2 m) r, `考虑传动效率为0.64，则最大起升重量为：Fmax=0.64*F=0.64*5.1198=3.28T
( M4 \9 m. f. M. Q9 I! h$ H　　与要求的最大起升重量相比有1.1倍保险系数，基本符合要求。
　　2.3.2最大起升速度计算
% |+ B  Q2 M" |　　Vmax=π*D*Nn/2*I=π*0.3*1450/2*31.5=21.7 m/min
5 ?) R4 D- r* L  s8 N7 V- B　　根据上式可知，变频模式下，电机的最大起升速度降低了很多，主要是考虑到节约成本，在市场上有竞争力，设计时相关硬件成本估算到最优化；通过缩短启动和就位时间，空钩高于50HZ运行等多种协调方法，使得实践中并不明显感觉速度减慢。
; @# e8 [) c3 G0 P　　2.4性能特点
/ G! ^0 d, Z# H( L" I　　采用先进的现代交流变频调速技术对塔式起重机电力拖动系统进行技术改造，使起重机实现平稳操作，提高运行效率，改善超负荷作业，消除起制动冲击，减少电气维护，降低电能消耗，提高功缺因数等均可取得良好实效。同时还具有过电流、过电压、欠电压和输入缺相保护，以及变频器超温、超载、超速、制动单元过热、I/O故障保护、电动机故障保护等，变频调速方法具有如下显著特点：
& r# G: b6 C% q9 `! P$ E　　2.4.1调速范围宽，可实现有精确控制定位要求的作业；
- g5 V4 {+ B: u5 ~6 G+ f, Z1 w　　2.4.2软启动、软停止的功能降低了机械传动冲击，可明显改善钢结构的承载性能，延长了起重机的使用寿命；
" ^0 Q8 F2 Q, r　　2.4.3高集成度组件及高可靠性低压电器，有效解决原电气系统接线复杂问题，不仅降低了系统故障机率，而且易维护；
　　2.4.4电动机在零速时，能全力矩输出，即使制动器松动或失灵时，也不会出现重物下滑，确保系统安全可靠；
8 x1 ?" O/ K" X) F, |2 m  F　　2.4.5具有快速的动态响应，不会出现溜钩并真正实现“零速交叉”功能；
　　2.4.6专用负荷重量测控仪并配以相应软件，起升速度可随负荷重量变化自切换，实现“轻载快速，重载慢速”的作业要求；
　　2.4.7系统所用变频器，具有自动节能操作模式，能较大提高系统的功率因数和整机工作效率，节能效果显著，平均节电率可达20%以上；
  V/ p$ s3 W4 P: [0 d# j3．结束语
　　迄今为止，该设计无速度矢量变频调速的塔式起重机试机已三个月，整机设备运行良好，并接受定单4台。
　　目前塔式起重机方式绝大多数采用有级调速，无级调速尽管是发展方向，但仍然受到成本等方面的限制。笔者曾做过测算，采用如上所述类似的不增大变频器选型，适当牺牲速度的方法，变频无级调速的成本与带涡流制动的多速绕线转子电机变极调速差距不大，性能却有很大提高，可见意义重大。
　　参考文献
7 T% D5 z$ R* o& k[1]中大型塔式起重机起升机构的调速方式，长沙建设机械研究院，喻乐康
[2]塔吊主卷扬改为变频器控制技术分析http://www.newmaker.com/disp_art/107/530.html
[3]起重变频器的应用概述 http://www.newmaker.com/asrt_art/107/1/2.html
[4]深圳汇川MD320变频器说明书
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