變頻技術(shù)在塔式起重機(jī)中的應(yīng)用

林翼彪

【摘要】變頻技術(shù)的應(yīng)用，給塔機(jī)的運行帶來了安全和效率，使之更好的服務(wù)到各個領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，帶來了巨大的社會效益。

【關(guān)鍵詞】塔式起重機(jī)；變頻調(diào)速；應(yīng)用

1、塔式起重機(jī)常見調(diào)速方式

塔式起重機(jī)在工業(yè)與民用建筑施工中廣泛應(yīng)用，因其提升高度大、司機(jī)室位置較高，使得操縱難度大，對吊重的快速、準(zhǔn)確就位要求高，所以塔式起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)調(diào)速性能要求很高。塔式起重機(jī)常見的調(diào)速方式有以下幾種：

（1）通過選擇多極電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。如QTZ40塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)常用4/8/24或4/8/32極電機(jī)，對應(yīng)的起升機(jī)構(gòu)會有對應(yīng)的3種運行速度。

（2）通過增大能量損耗來獲取調(diào)速性能。如QTZ63以上型號塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)一般選取繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)，通過向電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入不同的電阻，從而增加能耗來進(jìn)行調(diào)速。

（3）變頻調(diào)速。通過改變進(jìn)入電機(jī)的電流頻率進(jìn)行調(diào)速。

多極電動機(jī)調(diào)速機(jī)構(gòu)、能耗制動調(diào)速機(jī)構(gòu)等都存在著調(diào)速范圍小、速度穩(wěn)定性差等缺點，無法長時間低速下降載荷，而且可靠性低、維護(hù)量大、能耗高。目前國內(nèi)外普遍采用變頻調(diào)速技術(shù)。

2、變頻調(diào)速原理

電動機(jī)通電后，其定子會產(chǎn)生一個合成磁場，合成磁場會根據(jù)定

子部件鐵心的分布以及通入電流的頻率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這個磁場的旋轉(zhuǎn)速度通常稱同步轉(zhuǎn)速，同步轉(zhuǎn)速由下式?jīng)Q定：

n0=60f/p

式中：f—電流的頻率；

p—旋轉(zhuǎn)磁場的磁極對數(shù)。

由于合成磁場的旋轉(zhuǎn)，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)子的繞組被動切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流，又因磁場會對載流導(dǎo)體產(chǎn)生電磁力，所以在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子會“隨著”定子磁場旋轉(zhuǎn)起來。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nm 低于定子磁場的轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速nm我們稱之謂“異步”轉(zhuǎn)速。

由n0=60f/p分析可知，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n0與電流頻率f成正比，與電機(jī)磁極對數(shù)成反比，所以改變同步轉(zhuǎn)速的方法有2種：

（1）改變磁極對數(shù)p。

（2）改變接入電流頻率f。

3、電動機(jī)的選擇

塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)電機(jī)應(yīng)選用適合頻繁起動、轉(zhuǎn)動慣量小、起動轉(zhuǎn)矩大的變頻電機(jī)，目前以4極作變頻電機(jī)首選極數(shù)。電動機(jī)功率P按下式計算

式中：W—額定起重量（最小幅度時）+吊鉤質(zhì)量+ 鋼絲繩質(zhì)量（ ）；

—提升速度 （ m/ s） ；

—機(jī)械效率。

用變頻器驅(qū)動異步電動機(jī)時，由于變頻器的換向以及開關(guān)元件瞬間開閉產(chǎn)生的沖擊電壓（浪涌電壓）而引起電機(jī)絕緣惡化，因此對電壓型 P WM 變頻器應(yīng)盡量縮短變頻器與電動機(jī)之間的接線距離或者考慮加入阻尼回路 （濾波器）。

4、變頻器的選擇

4. 1 變頻器的容量

起升機(jī)構(gòu)平均起動轉(zhuǎn)矩一般來說為額定轉(zhuǎn)矩值的1.3～1.6倍，考慮到電源電壓波動及需要通過110%額載的動載試驗要求等因素，其最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩的1.8～ 2.0倍，以確保安全使用。通常對于普通鼠籠電機(jī)來講，等額變頻器僅能提供<150%超載負(fù)載力矩值，為此可通過提高變頻器容量或同時提高變頻器和電機(jī)容量來獲得200%的負(fù)載力矩值。變頻器容量PcN按下式計算

式中：K—過載系數(shù)，K=1.8～ 2.0；

P M —起升額定負(fù)載所需功率；

η—電機(jī)效率，η≈0.85；

cos φ—電機(jī)功率因數(shù)， cosφ≈0.75；

k—電流波形補償系數(shù)。

由于變頻器的輸出波形不是完全的正弦波，而含有高次諧波的成分，其電流應(yīng)有所增加，PWM方式變頻器的k=1.05～ 1.1。

以上變頻器的容量是依據(jù)負(fù)載功率來計算，如果按在電機(jī)額定功率的基礎(chǔ)上提高一檔的方法選擇變頻器的容量，則可能由于電動機(jī)容量過剩而造成變頻器的容量過剩，從而造成不必要的浪費。

在確定變頻器功率的基礎(chǔ)上還須做電流驗證

I cN >I M

式中 IcN —變頻器額定電流 （ A）；I M—電機(jī)額定電流 （A ） 。

4.2 專用變頻器

塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的運轉(zhuǎn)具有大慣性、四象限運行的特點，與其它傳動機(jī)械相比對變頻器有著更為苛刻的安全和性能上的要求，目前市場上專用變頻器種很多。多功能全數(shù)字式變頻器在塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，具有如下特點：

1） 全程磁通矢量控制，在1Hz的低頻下，即使無速度反饋環(huán)節(jié)也能提供 150% 額定轉(zhuǎn)矩的起動力矩。

2） 可配備制動單元，實現(xiàn)四象限運行，而且動態(tài)響應(yīng)好。

3） 在全速范圍內(nèi)具有恒轉(zhuǎn)矩特性。

塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的控制原理如圖1所示，該系統(tǒng)通過可編程序控制器（P LC）無觸點控制吊鉤的升降及速度檔位，同時系統(tǒng)安裝了旋轉(zhuǎn)編碼器速度反饋器件以實現(xiàn)閉環(huán)運行。

塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中需引起注意的是關(guān)于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發(fā)生重物由停止?fàn)顟B(tài)下滑的現(xiàn)象，稱為溜鉤。控制系統(tǒng)中通過PLC和變頻器之間信號的適當(dāng)配合、利用多功能變頻器具有的零速全轉(zhuǎn)矩功能可有效地防止溜鉤。其原理是變頻器在速度為0的狀態(tài)下，保持電動機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩且不需要速度反饋，這保證當(dāng)?shù)蹉^由升降狀態(tài)降速為0時電機(jī)能使重物在空中停止，直到電磁制動器將軸抱住止，從而防止了溜鉤。

5、制動單元的選擇

在采用變頻器的交流調(diào)速控制系統(tǒng)中，電動機(jī)是通過降低變頻器輸出 頻率而實現(xiàn)減速的。當(dāng)重載快速下降時，由于重力加速度的原因，電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度超過變頻器輸出頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速時，電動機(jī)處于發(fā)電制動狀態(tài)，負(fù)載的機(jī)械能將被轉(zhuǎn)換為電能并被反饋給變頻器，變頻器直流回路的電容因充電而使電壓升高，為了不使電壓過高而導(dǎo)致變頻器的過電壓保護(hù)電路動作切斷變頻器的輸出，此時可在其直流電路中設(shè)一個三極管，當(dāng)電壓超過一定界限時制動三極管將會導(dǎo)通，過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，此裝置即為變頻器的制動單元。

6、變頻技術(shù)應(yīng)用在塔機(jī)上的性能特點

變頻技術(shù)在塔式起重機(jī)電力拖動系統(tǒng)中的應(yīng)用，使起重機(jī)實現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運行效率，改善超負(fù)荷作業(yè)，消除起制動沖擊，減少電氣維護(hù)，降低電能消耗，提高功缺因數(shù)等均可取良好實效。同時還具有過電流、過電壓、欠電壓和輸入缺相保護(hù)，以及變頻器超溫、超載、超速、制動單元過熱、I/O故障保護(hù)、電動機(jī)故障保護(hù)等，變頻調(diào)速方法具有如下顯著特點：

（1）調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)有精確控制定位要求作業(yè)。

（2）軟啟動、軟停止功能降低了機(jī)械傳動沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)承載性能，延長了起重機(jī)使用壽命。

（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)雜問題，降低了系統(tǒng)故障機(jī)率，易維護(hù)。

（4）電動機(jī)零速時，能全力矩輸出，制動器松動或失靈時，會出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠。

（5）具有快速動態(tài)響應(yīng)，不會出現(xiàn)溜鉤并真正實現(xiàn)“零速交叉”功能。

（6）專用負(fù)荷重量測控儀并配以相應(yīng)軟件，起升速度可隨負(fù)荷重量變化自切換，實現(xiàn)“輕載快速，重載慢速”作業(yè)要求。

（7）系統(tǒng)所用變頻器，具有自動節(jié)能操作模式，能較大提高系統(tǒng)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。

7、結(jié) 論

變頻調(diào)速具有較完美的機(jī)械特性， 其良好的起制動性能實現(xiàn)了塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)吊鉤的快速、準(zhǔn)確定位，從而大大提高了作業(yè)效率，徹底避免了繞線式異步電動機(jī)起制動速度無法準(zhǔn)確控制的缺點。隨著變頻技術(shù)的日益成熟，還會更深入得運用到塔式起重設(shè)備上。變頻技術(shù)的應(yīng)用，給塔機(jī)的運行帶來了安全和效率，使之更好的服務(wù)到各個領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，帶來了巨大的社會效益。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 大連起重機(jī)廠.起重機(jī)設(shè)計手冊 [ S] .遼 寧：遼寧人民出版社，1979.

[2] 滿永奎.通用變頻器及其應(yīng)用 [ M ] . 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

[3] 鄭曉甌. 變頻調(diào)速在塔式起重機(jī)上的應(yīng)用.《建筑機(jī)械化》. 2003年05期.