變頻器在建筑工地塔吊上的應用

林燦宏

摘要:變頻調速控制技術的發展十分迅速,人們越來越多的認識到使用變頻調速的優越性,大有一統電控傳動系統的勢頭,變頻調速控制系統主要采用變頻調速技術和可編程控制技術,真正實現了變頻器在位勢能負載上應用的作用,并達到軟起、軟停和將再生電能回饋電網的目的。可取代傳統的起重機調速系統,使設備運轉更平穩,更安全,適用于新設備的制造和既有設備改造。

關鍵詞:塔吊變頻器變頻調速

中圖分類號:TN77 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)04(c)-0130-01

隨著我國建筑業的不斷發展,建筑施工機械化水平的不斷提高,建筑用塔式起重機已越來越普遍,從普通的多層建筑小區、房地產工程、高層建筑到大型的鐵路工程、橋梁工程、電力工程、水利工程,到處都有塔機的應用。計算機輔助設計、微電子技術、程控語言控制技術都在塔機上得到了應用。

1變頻器的工作原理

變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們知道,交流電動機的同步轉速表達式位:

n＝60f(1－s)/p(1)

式中n為異步電動機的轉速;

f為異步電動機的頻率;

s為電動機轉差率;

p為電動機極對數。

由式(1)可知,轉速n與頻率f成正比,只要改變頻率f即可改變電動機的轉速,當頻率f在0～50Hz的范圍內變化時,電動機轉速調節范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動機電源頻率實現速度調節的,是一種理想的高效率、高性能的調速手段。

2塔吊起重機的基本構件及傳統塔吊控制系統存在的問題

2.1 基本構件

(1)小車運行機構:用于拖動吊鉤及重物順著橋架做“縱向”運動,由電動機、制動器、減速裝置和車輪組成。

(2)提升機構:用于拖動重物做上升或下降的起升運動,由電機、減速裝置、卷筒和制動器組成。

(3)回轉機構:拖動橋臂以軸為中心做旋轉運動,由于防止跑偏,通常由雙電機、減速機構、制動器組成。

2.2 傳統塔吊起重機控制系統存在的問題

傳統的塔吊驅動方案一般采用:(1)直接起動電動機;(2)改變電動機極對數調速;(3)轉于串電阻調速;(4)渦流制動器調速;(5)可控硅串級調速;(6)直流調速。

前四種方案均屬有級調速,調速范圍小,無法高速運行,只能在額定速度以下調速;且低速就位性能差,長期低速運行會引起電阻器、渦流制動器嚴重發熱;起動電流大,對電網沖擊大;常在額定速度下進行機械制動,對起重機的機構沖擊大,制動閘瓦磨損嚴重;功率因數低,在空載或輕載時低于0.2～0.4,即使滿載也低于0.75,線路損耗大。

可控硅串級調速雖克服了上述缺點,實現了額定速度以下的無級調速,提高了功率因數,減少了起制動沖擊,價格較低,但目前串級調速產品的控制技術仍停留在模擬階段,尚未實現控制系統的數字化,因而在保護功能及系統監控方面還有待于發展。

直流調速系統具有很好的調速性能和起制動性能,很好的保護功能及系統監控功能,但必須采用直流電動機,而直流電動機制造工藝復雜,使用維護要求高,故障率高。

變頻調速技術發展到今天已完全克服了上述不足,同時,對電動機要求不高,采用普通鼠籠型異步電動機即可(繞線型異步電動機也適用)。該電機制造工藝簡單,使用維護方便,無論是在起重機老產品改造還是新產品設計,變頻調速都是優選方案。

3變頻器裝置的選用

通常用變頻器的輸出電流作為選擇條件。以驅動單臺電動機為例進行計算,變頻器銘牌的輸出電流IINV應滿足下列兩式:

IINV＞Ied

IINV＞K0I0/Kg

式中:Ied為電動機額定電流;I0為電動機最大工作電流,為靜載電流和動載電流之和。當負載要求全壓起動時,為電動機起動電流;K0為安全系數,重復短時工作制一般為1.0～1.1;Kg為變頻器允許過載倍數,見使用手冊。

當認為所需變頻器容量過大時,可適當延長起動時間,減少動態電流值。在選擇變頻器時,還應考慮它所提供的制動能力,通常變頻器本身具有制動能力,一般在短時間內提供20％額定值的制動力矩,在回轉、起升機構中需較大制動力矩,則應考慮增加制動單元和制動電阻。

目前變頻器已發展了幾代,國內外適用于各類起重機上的產品也很多,根據目前國內起重機領域的使用情況,有幾種產品較適于在起重機上使用。

國內英威騰CHV100起重機專用矢量變頻器,采用先進的控制理論,具有優異的力矩控制性能,專業針對起重配套行業設計,可靠的抱閘控制、輕負載升速、快速停車、超速保護、預勵磁、起動預轉矩補償、松繩檢測、起重機操作模式、主從控制等特點,保證起重行業使用的安全性、可靠性和高效性;面向起重行業高、中端用戶需求,有平移機構變頻、全變頻、能耗制動、回饋制動等多種成熟應用方案供用戶選擇;廣泛適用于各種起重機械的起升、俯仰、變幅、大車、小車、回轉、抓斗等機構的交流無級調速。

此外,德國ABB公司生產的ACS600系列,法國施耐得公司生產的ATV66系列變頻器、日本安川公司生產的VS－616G5系列產品等都是高性能產品,在塔式起重機上都有成功的應用,都是可選產品。

4英威騰CHV100變頻器在塔吊回轉上應用

(1)通用型變頻器(V/F控制),由于機器低頻轉矩太小,造成啟動過程旋轉臂抖動厲害。現改用英威騰CHV100高性能矢量變頻器,能很好地解決上述問題;(2)變頻器主要功能碼設置,按CHV100矢量變頻器說明書和塔吊使用說明書參數要求進行設置;(3)改造時,起初沒加制動電阻,停車時旋轉臂前進角度太大(40Hz,吊了1t重物),啟動過程旋轉臂偶爾出現抖動,主要因為啟動時輸出力矩不夠(電機在啟動過程出現停車現象);而停不下來時,塔吊司機習慣打反轉,變頻器經常跳閘。后來加上2倍標準(功率)的制動電阻,經優化變頻器停車參數后,停車時,因為慣性,旋轉臂前進角度不到20°(40Hz,吊了1t重物),已經達到建筑起重機國標標準。

通過更改加減速時間,提升啟動轉矩和啟動頻率,電動機從未出現過停車和抖動等現象。

隨著電力電子技術的不斷發展完善,交流變頻調速技術日益顯現出優異的控制及調速性能,高效率、易維護等特點,加之它的價格不斷下降,使其成為起重機械一種優選的調速方案。但是,要使變頻器成功地應用于起重機調速,就必須針對起重機的特點,計算和選擇變頻器及其外圍的輔件,不僅增強了設備的安全與可靠性,而且為企業和社會節省了大量的電能,因此在建筑行業具有很好的推廣應用價值。