變頻技術在塔式起重機中的應用

林翼彪

【摘要】變頻技術的應用，給塔機的運行帶來了安全和效率，使之更好的服務到各個領域的生產過程中，帶來了巨大的社會效益。

【關鍵詞】塔式起重機；變頻調速；應用

1、塔式起重機常見調速方式

塔式起重機在工業與民用建筑施工中廣泛應用，因其提升高度大、司機室位置較高，使得操縱難度大，對吊重的快速、準確就位要求高，所以塔式起重機的起升機構調速性能要求很高。塔式起重機常見的調速方式有以下幾種：

（1）通過選擇多極電機進行調速。如QTZ40塔機起升機構常用4/8/24或4/8/32極電機，對應的起升機構會有對應的3種運行速度。

（2）通過增大能量損耗來獲取調速性能。如QTZ63以上型號塔機的起升機構一般選取繞線轉子異步電動機，通過向電機轉子回路串入不同的電阻，從而增加能耗來進行調速。

（3）變頻調速。通過改變進入電機的電流頻率進行調速。

多極電動機調速機構、能耗制動調速機構等都存在著調速范圍小、速度穩定性差等缺點，無法長時間低速下降載荷，而且可靠性低、維護量大、能耗高。目前國內外普遍采用變頻調速技術。

2、變頻調速原理

電動機通電后，其定子會產生一個合成磁場，合成磁場會根據定

子部件鐵心的分布以及通入電流的頻率進行旋轉。這個磁場的旋轉速度通常稱同步轉速，同步轉速由下式決定：

n0=60f/p

式中：f—電流的頻率；

p—旋轉磁場的磁極對數。

由于合成磁場的旋轉，從而使電機轉子的繞組被動切割磁力線產生感應電流，又因磁場會對載流導體產生電磁力，所以在電磁力的作用下，轉子會“隨著”定子磁場旋轉起來。轉子的轉速nm 低于定子磁場的轉速n0，轉子的轉速nm我們稱之謂“異步”轉速。

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

（1）改變磁極對數p。

（2）改變接入電流頻率f。

3、電動機的選擇

塔機起升機構電機應選用適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻電機，目前以4極作變頻電機首選極數。電動機功率P按下式計算

式中：W—額定起重量（最小幅度時）+吊鉤質量+ 鋼絲繩質量（ ）；

—提升速度 （ m/ s） ；

—機械效率。

用變頻器驅動異步電動機時，由于變頻器的換向以及開關元件瞬間開閉產生的沖擊電壓（浪涌電壓）而引起電機絕緣惡化，因此對電壓型 P WM 變頻器應盡量縮短變頻器與電動機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

起升機構平均起動轉矩一般來說為額定轉矩值的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，其最大轉矩應是負載轉矩的1.8～ 2.0倍，以確保安全使用。通常對于普通鼠籠電機來講，等額變頻器僅能提供<150%超載負載力矩值，為此可通過提高變頻器容量或同時提高變頻器和電機容量來獲得200%的負載力矩值。變頻器容量PcN按下式計算

式中：K—過載系數，K=1.8～ 2.0；

P M —起升額定負載所需功率；

η—電機效率，η≈0.85；

cos φ—電機功率因數， cosφ≈0.75；

k—電流波形補償系數。

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負載功率來計算，如果按在電機額定功率的基礎上提高一檔的方法選擇變頻器的容量，則可能由于電動機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—電機額定電流 （A ） 。

4.2 專用變頻器

塔機起升機構的運轉具有大慣性、四象限運行的特點，與其它傳動機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。多功能全數字式變頻器在塔機起升機構中的應用，具有如下特點：

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

2） 可配備制動單元，實現四象限運行，而且動態響應好。

3） 在全速范圍內具有恒轉矩特性。

塔機起升機構的控制原理如圖1所示，該系統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，同時系統安裝了旋轉編碼器速度反饋器件以實現閉環運行。

塔機起升機構控制系統中需引起注意的是關于防止溜鉤的控制。在電磁制動器抱住之前和松開之后的瞬間，極易發生重物由停止狀態下滑的現象，稱為溜鉤。控制系統中通過PLC和變頻器之間信號的適當配合、利用多功能變頻器具有的零速全轉矩功能可有效地防止溜鉤。其原理是變頻器在速度為0的狀態下，保持電動機有足夠大的轉矩且不需要速度反饋，這保證當吊鉤由升降狀態降速為0時電機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速控制系統中，電動機是通過降低變頻器輸出 頻率而實現減速的。當重載快速下降時，由于重力加速度的原因，電動機的旋轉速度超過變頻器輸出頻率所對應的同步轉速時，電動機處于發電制動狀態，負載的機械能將被轉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致變頻器的過電壓保護電路動作切斷變頻器的輸出，此時可在其直流電路中設一個三極管，當電壓超過一定界限時制動三極管將會導通，過剩的電能通過與之相接的制動電阻器轉化為熱能消耗掉，此裝置即為變頻器的制動單元。

6、變頻技術應用在塔機上的性能特點

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

（1）調速范圍寬，可實現有精確控制定位要求作業。

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

（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接線復雜問題，降低了系統故障機率，易維護。

（4）電動機零速時，能全力矩輸出，制動器松動或失靈時，會出現重物下滑，確保系統安全可靠。

（5）具有快速動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能。

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

（7）系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統功率因數和整機工作效率，節能效果顯著，平均節電率可達20%以上。

7、結 論

變頻調速具有較完美的機械特性， 其良好的起制動性能實現了塔機起升機構吊鉤的快速、準確定位，從而大大提高了作業效率，徹底避免了繞線式異步電動機起制動速度無法準確控制的缺點。隨著變頻技術的日益成熟，還會更深入得運用到塔式起重設備上。變頻技術的應用，給塔機的運行帶來了安全和效率，使之更好的服務到各個領域的生產過程中，帶來了巨大的社會效益。

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