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變頻器在起重機(jī)的運(yùn)用

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變頻器在起重機(jī)（龍門吊廠家）的運(yùn)用

一

、概述

隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展

，建筑施工機(jī)械化水平的不斷提高

，對(duì)塔機(jī)的制造質(zhì)量和整機(jī)技術(shù)水平的要求也越來越高

。塔機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用的方式

、控制系統(tǒng)的技術(shù)水平

、用戶的可操作性和可維護(hù)性基本上就體現(xiàn)了整個(gè)塔機(jī)的技術(shù)水平和檔次

。而在這幾個(gè)機(jī)構(gòu)中

，最為重要也是最具有技術(shù)代表性的是起升機(jī)構(gòu)

，它控制功率最大

、調(diào)速范圍最寬

、出故障后的維修難度也最大

。而且該系統(tǒng)在變速過程所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊的大小將直接影響塔機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷程度

。

為了改進(jìn)其性能

，國(guó)內(nèi)各主機(jī)生產(chǎn)商在起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速控制技術(shù)上已花了許多工夫

，得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步

。從整體上看

，絕大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的單電機(jī)傳動(dòng)

，以帶渦流制動(dòng)器的繞線式電機(jī)和多極電機(jī)調(diào)速的方案為主。這些傳統(tǒng)的調(diào)速方案

，要想達(dá)到較寬的調(diào)速范圍，其途徑不外乎設(shè)計(jì)制造大功率、寬調(diào)速范圍的非標(biāo)電機(jī)

，如：采用帶渦流制動(dòng)器的多極繞線式電機(jī)或制作大極差的多速電機(jī)等。由于塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)所需要的較高調(diào)速要求不但給電機(jī)生產(chǎn)廠商帶來了較多的質(zhì)量控制難題

，而且也增加了控制回路和電機(jī)的制造成本，降低了系統(tǒng)可靠性

。更有甚者，隨著用戶對(duì)塔機(jī)的起吊能力要求越來越大

，傳統(tǒng)控制方式已經(jīng)越來越感覺到力不從心

，不論是上述技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性

，其制造成本以及使用性能等方面也存在一些問題

。所以

，我們不得不尋求更理想的新的調(diào)速控制技術(shù)。

鑒于以上的原因

，國(guó)內(nèi)外的專業(yè)生產(chǎn)商在塔機(jī)的起升調(diào)速方式上進(jìn)行了較多的新技術(shù)應(yīng)用嘗試，比如：采用多極電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速

，引進(jìn)變頻調(diào)速等

。逐漸地，隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展

，不斷地被人們認(rèn)識(shí)，它以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)超越了其他的任何調(diào)速方案

，其優(yōu)點(diǎn)數(shù)不勝數(shù)

，如：零速抱閘，對(duì)制動(dòng)器無磨損;任意低的就位速度

，可用于精確吊裝;速度的平滑過渡

，對(duì)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件無沖擊

，提高了塔機(jī)的運(yùn)行安全性;極低的起動(dòng)電流

，減輕了用戶電網(wǎng)擴(kuò)容的負(fù)擔(dān);幾乎任意寬的調(diào)速范圍

，提高了塔機(jī)的工作效率;節(jié)能的調(diào)速方式

，減少了系統(tǒng)運(yùn)行能耗;單速的鼠籠電動(dòng)機(jī)保證了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性厖。正是因?yàn)檫@些明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的塔機(jī)制造商所推出的新一代塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)也大多采用變頻調(diào)速方案

，如POTAIN

，LIEBHERR等世界著名公司

。同時(shí)我們認(rèn)為

，隨著變頻器價(jià)格的不斷降低

，可靠性不斷提高

，變頻技術(shù)一定能在塔機(jī)上得到廣泛應(yīng)用

，這將對(duì)產(chǎn)品的安全運(yùn)行和減少運(yùn)行能耗都有重要的意義

。為了普及變頻技術(shù)，加深對(duì)變頻調(diào)速方案的了解

，本文將對(duì)變頻技術(shù)在塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用作一探討。

二

、常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)

1.結(jié)構(gòu)介紹

變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)有近10年的時(shí)間，雖然取得了一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

，并且也有不少的變頻起升機(jī)構(gòu)現(xiàn)在正在工地正常運(yùn)行，但與其他行業(yè)相比

，變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)上的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的程度

，其中有成本的原因

，也有技術(shù)的原因

。

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國(guó)內(nèi)和國(guó)外目前所采用的典型方案

，從技術(shù)上來講

，大同小異

，不同點(diǎn)在于：

(1)變頻器的品牌不同

，其采用的控制回路不同;

(2)系統(tǒng)是開環(huán)(不帶PG)或者是閉環(huán)(帶PG)

(3)機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式的不一樣：L型布置

、п型布置或一字型布置等;

(4)減速機(jī)的類型不一樣

，如：圓柱齒輪減速機(jī)或行星減速機(jī);是定速比或可變速比等。

就傳動(dòng)控制技術(shù)而言

，以上所述差異并未涉及控制方式的改變

，均為采用一臺(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的典型模式

，也可稱其為常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)

。在所有的這些常規(guī)變頻機(jī)構(gòu)中，LIEBHERR公司在EC-H型塔機(jī)上裝配的變頻起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)最為突出

，它采用250V電動(dòng)機(jī)和與之匹配的變頻器，配置可變速比的減速機(jī)

，L型布置。該方案具備較好的起升速度特性

，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高

，而且部件通用性差

。

2.常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)電動(dòng)機(jī)極數(shù)和功率的校核

當(dāng)起升機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)(如：最大起重量

、最高工作速度等)給定后

，就要對(duì)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和功率進(jìn)行確定和計(jì)算

，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：

a)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)小于3000轉(zhuǎn)/分(由減速機(jī)輸入級(jí)的工作轉(zhuǎn)速限制);

b)系統(tǒng)最高工作頻率應(yīng)小于100Hz(頻率越高

，電動(dòng)機(jī)的損耗功率就越大

，將破壞恒功率特性，起吊能力大幅度降低而無實(shí)際應(yīng)用價(jià)值);

c)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩用于校核最大起重量(考慮總傳動(dòng)比

、效率

、倍率等);

d)電動(dòng)機(jī)的額定功率用于校核高速時(shí)的起重量(考慮總傳動(dòng)比

、效率

、倍率等

，如果頻率接近100Hz

，應(yīng)考慮有效功率降低10～15%)

。

在選擇電機(jī)功率時(shí)，根據(jù)以上的條件就能基本確定減速機(jī)的減速比與電動(dòng)機(jī)功率和極數(shù)

。

(2)電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

a)變頻器的選取

當(dāng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)確定后，就可著手進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

。首先是變頻器的選型。現(xiàn)在市場(chǎng)上的國(guó)內(nèi)外變頻器品牌不少，控制水平和可靠性差別較大

，技術(shù)上大體可分為V/F控制、矢量控制和DTC直接轉(zhuǎn)矩控制三種

。用于塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)

，建議最好選用具有矢量控制功能或者是具有DTC直接轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器

，這樣的變頻器品牌較多

，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的熟悉程度、技術(shù)支持力度

、其他行業(yè)廠的使用情況等因素來選擇。

由于變頻器品牌的不同

，相同功率下變頻器的過載能力和額定電流值也不完全一致

。所以

，選擇變頻器容量時(shí)

，不單要看額定功率的大小

，還要校核額定工作電流是否大于或者等于電動(dòng)機(jī)的額定電流

，一般的經(jīng)驗(yàn)是選擇變頻器的功率大于電動(dòng)機(jī)功率10～30%左右。

b)能耗電阻的選取

作為起重用變頻系統(tǒng)

，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)下的系統(tǒng)可靠性，因?yàn)檫@種系統(tǒng)出故障往往都發(fā)生在重物下降時(shí)的工況

，如溜鉤、超速

、過壓等

。也就是說重物下降工況時(shí)變頻系統(tǒng)的性能好壞將直接影響整個(gè)起升機(jī)構(gòu)能否安全運(yùn)行

。這就要求設(shè)計(jì)人員清楚地了解變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的回饋工作過程

，才能做到心中有數(shù)。

大部分變頻器的產(chǎn)品說明中

，對(duì)如何選擇能耗電阻的電阻值和功率并沒有非常清楚的描述

，而且往往按其推薦的標(biāo)準(zhǔn)配置并不能完全滿足起重工況的要求，同時(shí)有關(guān)這方面論述的文章也不多見

，所以在變頻起重控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中

，電阻參數(shù)選擇顯得有些混亂。本文將對(duì)電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行定性的分析

，讀者可以通過這些分析進(jìn)一步得到有關(guān)電阻參數(shù)的計(jì)算方法。

①電阻值的選取

基本可以按變頻器樣本給出的參數(shù)確定

，基本原則是，考慮直流回路的電壓(重物下降工況時(shí)將超過600VDC)情況下

，電阻上的電流不超過變頻器的額定電流

。

②電阻功率的選取

要準(zhǔn)確地選擇電阻的功率是非常重要的

，若選擇太大

，會(huì)增加系統(tǒng)成本，太小就會(huì)造成運(yùn)行的不可靠

。但要合理準(zhǔn)確地選擇能耗電阻的功率是一個(gè)較煩瑣的事，影響該參數(shù)的因素較多

，如：電機(jī)功率大小

、減速機(jī)反向效率

、下降運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短

、負(fù)加速度的大小、減速運(yùn)行時(shí)間以及傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等都會(huì)影響到電阻功率的選取

。所以，我們得首先從分析系統(tǒng)在下降工況的工作過程

，從而得到電阻功率的確定方法。

重物的下降功率是經(jīng)“傳動(dòng)部件”

、“電動(dòng)機(jī)”(此時(shí)處于發(fā)電狀態(tài))

、變頻器內(nèi)的反向整流回路再由制動(dòng)單元而傳遞到“電阻R”上的

，如果傳動(dòng)環(huán)節(jié)的反向效率越低，電阻上消耗的功率就越小

。

于是有：

“電阻R”發(fā)熱消耗功率+傳遞路徑上消耗的功率=重物下降的功率

進(jìn)一步還可得到電阻消耗功率P的表達(dá)式：

在勻速下降時(shí)穩(wěn)態(tài)功耗：

Pe=ωm×Me×δ①

式中：δ是傳動(dòng)系統(tǒng)的反向效率

減速時(shí)的峰值功耗：

Pm=Pe+δ×J×(ωm-ωd)/Ta②

式中：J是傳動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

結(jié)合式①和式②有：

當(dāng)起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行在額定功率狀態(tài)并高速下降時(shí)，如果此時(shí)給出減速指令

，在減速的初期

，電阻的消耗功率將達(dá)到最大值;

過短的減速時(shí)間，將造成在電阻上的消耗功率峰值上升;

系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和載荷越大

，減速時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩就越高

，也會(huì)造成在電阻上消耗功率的峰值上升;

當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率越低

，電阻消耗功率也越低

。

可見，要準(zhǔn)確地計(jì)算電阻消耗功率

，就必須知道傳動(dòng)系統(tǒng)中各個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、減速點(diǎn)對(duì)應(yīng)的起始工作速度和結(jié)束工作速度

、減速過程的時(shí)間長(zhǎng)短以及系統(tǒng)載荷大小等。要確定這些參數(shù)的精確值

，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期是有一定難度的

，其一，在產(chǎn)品未完成前

，無法精確測(cè)量或計(jì)算各傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;其二，在實(shí)際使用中

，系統(tǒng)的減速特征是會(huì)隨現(xiàn)場(chǎng)的需要而改變的

。所以大多情況下

，電阻功率都未作嚴(yán)格計(jì)算

。經(jīng)驗(yàn)的取值一般是電機(jī)功率的40～70%之間，減速機(jī)的反向效率較低時(shí)

，可以選用較小的電阻功率。

只要充分了解了變頻系統(tǒng)的減速過程的工作狀態(tài)

，就可以根據(jù)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際工作表現(xiàn)來修正電阻參數(shù)

。

c)控制方案的確定

首先是系統(tǒng)采用開環(huán)或閉環(huán)控制的選擇

，筆者認(rèn)為

，一般的塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)可以采用開環(huán)控制方式

，那些對(duì)速度控制精度要求較高的情況才要考慮閉環(huán)控制

。如果要構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，一定要有PG(編碼器)

、檢測(cè)回路和連接線

。這些環(huán)節(jié)加大了安裝的復(fù)雜性;增加了系統(tǒng)成本;更重要的是降低了系統(tǒng)的可靠性，因?yàn)樵陂]環(huán)系統(tǒng)中

，反饋回路任何細(xì)小的差錯(cuò)可能造成系統(tǒng)紊亂。

其次是速度給定方式的選取

，絕大多數(shù)的變頻器都有多種速度輸入方式

，如多級(jí)開關(guān)量輸入方式和模擬量給定方式，不少品牌的變頻器還具備有總線通信接口

。對(duì)于常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)，大多采用開關(guān)量作為速度給定

，不同在于是采用PLC還是繼電邏輯控制

。筆者認(rèn)為

，最為簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是由PLC與變頻器通信接口傳送速度與控制指令

，這樣，控制柜內(nèi)的連接線最少

。

三、雙變頻起升機(jī)構(gòu)

1.開發(fā)雙變頻起升機(jī)構(gòu)的必要性

到目前為止

，變頻器在塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用已經(jīng)有了近10年的歷史

，從上述分析我們知道

，變頻調(diào)速技術(shù)會(huì)給塔機(jī)的運(yùn)行帶來較多的好處

，而且國(guó)家的有關(guān)技術(shù)推廣部門和行業(yè)協(xié)會(huì)也舉辦過多次變頻技術(shù)應(yīng)用的專題研討會(huì)，但實(shí)際的采用量并不理想

，業(yè)內(nèi)只有少數(shù)有實(shí)力的主機(jī)廠推出過變頻起升機(jī)構(gòu)，這遠(yuǎn)不能與其他行業(yè)的應(yīng)用程度相比

。有理由認(rèn)為

，限制變頻技術(shù)在行業(yè)內(nèi)推廣的主要原因是：

變頻系統(tǒng)出現(xiàn)故障后的售后服務(wù)難度大

，與常規(guī)系統(tǒng)相比

，加大了塔機(jī)的停機(jī)維修時(shí)間，增加了用戶的停工損失;

變頻控制系統(tǒng)的成本要高于常規(guī)起升機(jī)構(gòu)

，增加了推廣難度;

變頻起升機(jī)構(gòu)成本的60%左右是變頻器

，由于目前變頻器的價(jià)格還較高

，所以系統(tǒng)總成本要高于常規(guī)起升機(jī)構(gòu)，但隨著變頻技術(shù)的不斷普及和提高

，變頻器的價(jià)格還有較大的下降空間

，而常規(guī)起升機(jī)構(gòu)的成本基本已無潛力可挖。我們相信

，在不久的將來，常規(guī)起升機(jī)構(gòu)的成本將無絕對(duì)優(yōu)勢(shì)可言

。所以

，行業(yè)技術(shù)工作者的當(dāng)務(wù)之急是如何能設(shè)計(jì)出減輕售后服務(wù)壓力的變頻起升系統(tǒng)

。

2.塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的作業(yè)狀況分析

衡量一臺(tái)塔機(jī)的工作能力

，不單是所配起升機(jī)構(gòu)的最大起重量這一參數(shù)，而更為重要的參數(shù)是工作力矩的大小

，它是塔機(jī)安全運(yùn)行的重要指標(biāo)。正是由于力矩參數(shù)的限制

，塔機(jī)是不可能在任何工作幅度下都能起吊最大起重量的

，而且從工地現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況來看

，塔機(jī)起吊最大重量的工況也是非常少的

。

中聯(lián)公司生產(chǎn)的5613塔機(jī)，該塔機(jī)的最大起重量為8t

，最大工作半徑是56m。

“輕載區(qū)”起重量小于4t

，工作半徑為56m

，作業(yè)面積為9847m2;

“重載區(qū)”起重量大于4t，工作半徑為24m

，作業(yè)面積為1808m2;

“滿載”區(qū)起重量等于8t

，工作半徑為14m

，作業(yè)面積為615m2;

其工作死區(qū)(小車最小工作半徑)約為3m

，面積為28m2。

經(jīng)過計(jì)算得到：如果以4t的起吊重量作為輕重載的分界點(diǎn)

，“重載區(qū)”的作業(yè)面積只占“輕載區(qū)”作業(yè)面積的18%。

而且在工地對(duì)塔機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)

，一臺(tái)配備8t起升機(jī)構(gòu)的塔機(jī)

，真正起吊4t以上載荷的工況是非常少的。

通過以上的分析有：

塔機(jī)的起吊能力減半

，80%以上的工況不受影響

。

這就給我們提供了一個(gè)思路：如果把現(xiàn)有的由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)變頻器控制的變頻起升機(jī)構(gòu)改變成功率減半的兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)和兩臺(tái)小變頻器來共同驅(qū)動(dòng)的話，即使有電機(jī)或者是變頻器出現(xiàn)故障

，塔機(jī)在絕大部分情況下還是可以照常工作的。這樣就大大減少了主機(jī)廠的售后服務(wù)壓力

，對(duì)用戶也十分有利

。

對(duì)于塔機(jī)這種特殊的起重機(jī)，如果起升機(jī)構(gòu)采用雙變頻起升方案就可以：

輕載時(shí)

，單電機(jī)運(yùn)行

，可以達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命的目的;

有一變頻器損壞時(shí)，可單電機(jī)工作

，系統(tǒng)將自動(dòng)斷開故障回路

，能做到對(duì)系統(tǒng)不停機(jī)維修

，大大地減少了塔機(jī)生產(chǎn)廠的售后壓力;

有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)出故障后

，同樣可采用單電機(jī)工作方式，在絕大部分工況下不影響塔機(jī)工作;

重載下

，雙電機(jī)工作，以完美的變頻性能滿足塔機(jī)的操作要求;

各功率部件變小

，減少了維修成本與難度

。

該系統(tǒng)已經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)和工業(yè)考核，性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求

。我們以為，本文所討論的雙變頻起升機(jī)構(gòu)是為我國(guó)塔機(jī)行業(yè)在變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用上找到了一條可行的新思路

，這對(duì)提升我國(guó)的塔機(jī)技術(shù)水平

、提高系統(tǒng)的可維護(hù)性

、降低主機(jī)廠的售后服務(wù)壓力以及減小與國(guó)外同行的技術(shù)差距都有重要的積極意義

。

上一篇：起重機(jī)操縱工為何不答應(yīng)斜拉斜吊？
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