變頻器在塔式起重機(jī)上的應(yīng)用研究

牛建民

（中鐵大橋局機(jī)械化施工分公司，湖北 武漢 430050）

在現(xiàn)代建筑和重工業(yè)領(lǐng)域，塔式起重機(jī)作為一種關(guān)鍵的工程機(jī)械，在大型物料搬運(yùn)和建筑施工中發(fā)揮著不可替代的作用。為了提高起重機(jī)的性能、精確度和能效，變頻器技術(shù)在塔式起重機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用。引入變頻器技術(shù)，使得起重機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。同時通過實(shí)時調(diào)整電機(jī)的頻率，變頻器平滑啟動和停止，有效減少了起動和制動時的電流沖擊，降低了能耗，提高了能源利用效率。這對于大型塔式起重機(jī)的長時間運(yùn)行，尤其是在高負(fù)載條件下，具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保意義。

1 塔式起重機(jī)分析

塔式起重機(jī)是一種用于在建筑工地和其他工業(yè)場所進(jìn)行物料搬運(yùn)和起吊作業(yè)的重型起重設(shè)備。它通常由一座垂直塔身和一個伸臂組成，伸臂上配有起重鉤或其他吊具，用于提升和移動重物。該設(shè)備主要由四部分組成，分別是鋼結(jié)構(gòu)、工作結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)和裝置。在實(shí)際應(yīng)用過程中，四部分協(xié)同作業(yè)是保證安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。

塔式起重機(jī)具備以下優(yōu)點(diǎn)：第一，其起升高度較高、工作幅度較大；第二，基于結(jié)構(gòu)組成，作業(yè)空間較為充足；第三，可以同時進(jìn)行多道操作，如垂直、水平運(yùn)輸協(xié)同操作等；第四，可以在三維空間中進(jìn)行吊、運(yùn)、裝、卸等操作，且效率較高；第五，司機(jī)室空間較大，為司機(jī)提供充足視野；第六，結(jié)構(gòu)簡單、操作較為簡便，且便于維護(hù)。

但與此同時，該設(shè)備也具備以下不足：第一，結(jié)構(gòu)組成龐大，占地面積較多，安裝過程費(fèi)時費(fèi)力；第二，自重較大，一旦出現(xiàn)事故難以及時進(jìn)行控制；第三，拆卸、運(yùn)輸和轉(zhuǎn)移較為耗時耗力，靈活性較差。

基于上文就優(yōu)缺點(diǎn)的闡述，在塔式起重機(jī)中應(yīng)用變頻器，可以有效應(yīng)對存在的不足，進(jìn)一步強(qiáng)化優(yōu)勢發(fā)揮。

2 研究內(nèi)容信息闡述

本文以麥格米特MV600L 變頻器和QTZ315 型塔機(jī)為研究內(nèi)容進(jìn)行分析。

2.1 變頻器信息概述

研究應(yīng)用的變頻器選擇MV600L-4T315 型號的變頻器進(jìn)行分析。該變頻器額定容量為388KVA，額定輸入電流為590A，額定輸出電流為585A，額定輸出功率為315kW。其主要組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖示

2.2 塔式起重機(jī)信息概述

QTZ315 型塔機(jī)控制方式采用傳統(tǒng)控制方式。在重載時可以平穩(wěn)、低速運(yùn)行，處于輕載或者無載重狀態(tài)時，可以高速、穩(wěn)定運(yùn)行。操作方式更靈活，便于控制，司機(jī)室作業(yè)空間較為充足。其主要參數(shù)信息見表1 所示。

表1 QTZ315 塔式起重機(jī)相關(guān)參數(shù)總結(jié)表

3 變頻器在塔式起重機(jī)上的應(yīng)用分析

塔式起重機(jī)運(yùn)行過程中，起升結(jié)構(gòu)、變幅結(jié)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是主要傳動部位。本文主要闡述了變頻器在上述三大機(jī)構(gòu)的應(yīng)用。

3.1 應(yīng)用變頻器后相較傳統(tǒng)調(diào)速方式的優(yōu)點(diǎn)分析

塔式起重機(jī)的傳統(tǒng)調(diào)速方式包括以下幾種：第一，多速電機(jī)變極調(diào)速。通常電機(jī)的極數(shù)是固定的，而通過應(yīng)用變極調(diào)速技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在不改變電機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，改變電機(jī)的有效極數(shù)，從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行速度。但此方式調(diào)速范圍有限，只能在三種速度之間切換，且換擋時電流沖擊較大，不符合節(jié)能目標(biāo)。第二，電磁離合器換擋的減速器加帶渦流制動的單速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)，該種方式具備運(yùn)行平穩(wěn)、調(diào)速比設(shè)計(jì)更為靈活的優(yōu)勢，但該電機(jī)中電磁離合器使用壽命較短，且不能在空中動態(tài)變換離合器擋位，否則，會出現(xiàn)安全風(fēng)險，同時造價成本較高。存在的缺點(diǎn)制約其應(yīng)用范圍。

相較上述兩種傳統(tǒng)調(diào)速方法，應(yīng)用變頻器后，借助其功能優(yōu)勢，可以有效改變沖擊電流較大、調(diào)速范圍有限等缺點(diǎn)。且變頻器調(diào)速方式結(jié)構(gòu)更為簡便，便于后續(xù)維修維護(hù)，同時借助變頻器的故障碼可以更高效、精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，縮短事故排查時間。另外，變頻器具備更好的靈活性，其可以快速平穩(wěn)制動，降低對傳動機(jī)構(gòu)的沖擊力，從而延長相關(guān)設(shè)備的使用年限，在一定程度上降低成本支出。綜上來看，變頻器調(diào)速方式優(yōu)勢明顯。

3.2 變頻器在起升結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

起升結(jié)構(gòu)是塔式起重機(jī)中的重要組成，其主要包括起重機(jī)鋼絲繩、卷筒、變速器、電動機(jī)以及相關(guān)的制動和安全系統(tǒng)。負(fù)責(zé)完成各種升降任務(wù)，且在不同工況條件下，提供高效、安全的貨物處理能力。基于其功能，對電控靈活性、安全性和穩(wěn)定性要求最高，不僅需要保證貨物起吊過程中保持穩(wěn)定，還需要保證高效、安全響應(yīng)。因此，現(xiàn)階段，塔式起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)中除了上述組成外，還糅合重量限制器、力矩限制器等安全裝置，這些裝置不可忽略，無形中對起吊速度產(chǎn)生影響。

針對上述情況，在應(yīng)用變頻器時，需要結(jié)合塔機(jī)起升電路設(shè)置、起升結(jié)構(gòu)組成及速度要求等進(jìn)行思考。通過變頻器的加減速時間、各段速度頻率的科學(xué)設(shè)置，可以有效控制貨物起吊速度。所以，設(shè)計(jì)方案需要確保起升結(jié)構(gòu)拖動重物啟動的一瞬間，起升結(jié)構(gòu)中的變頻器發(fā)揮響應(yīng)，并且前變頻器輸出一定反向預(yù)轉(zhuǎn)矩，預(yù)防開閘遛鉤現(xiàn)象發(fā)生，并且還需要預(yù)先設(shè)置抱閘閉合頻率，從而避免貨物在運(yùn)輸途中發(fā)生閉閘遛鉤現(xiàn)象。同時，需要發(fā)揮變頻器的編碼優(yōu)勢，借助編碼器科學(xué)控制起升速度，并且促使塔式起重機(jī)具備自動檢測速度的功能，可以實(shí)時監(jiān)測起升速度，一旦超出預(yù)設(shè)閾值，自動觸發(fā)安全防護(hù)控制，從而保證安全運(yùn)行。另外，起升結(jié)構(gòu)與多種安全限位裝置相連接，應(yīng)用變頻器后，需要保證電路實(shí)現(xiàn)高效連接，并避免各種安全限位裝置的信號干擾變頻器運(yùn)行。如圖2 所示，閉鎖控制發(fā)揮效用過程中，S1-S5開關(guān)負(fù)責(zé)速度控制信號發(fā)送，S6 負(fù)責(zé)抱閘反饋信號發(fā)送，K15 也負(fù)責(zé)抱閘控制信號發(fā)送。通過開關(guān)的閉合以及編碼器的支持，可以有效保證起升結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。

圖2 塔式起重機(jī)起升結(jié)構(gòu)主電路圖示

3.3 變頻器在變幅結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

塔式起重機(jī)的變幅結(jié)構(gòu)是指用于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊臂橫向運(yùn)動的系統(tǒng)，通常包括變幅機(jī)構(gòu)、變幅驅(qū)動裝置和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。這些組件協(xié)同工作，使得塔式起重機(jī)能夠適應(yīng)不同工況下的橫向變幅要求。在實(shí)際應(yīng)用過程中，變幅結(jié)構(gòu)通過控制水平臂，改變所吊貨物幅長。目前，變幅結(jié)構(gòu)的速度控制主要依靠雙速或者三速電機(jī)達(dá)成目標(biāo)，該種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，但接線復(fù)雜繁瑣，且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)換擋，在不同工況下面臨挑戰(zhàn)，基于此，應(yīng)用時為了避免出現(xiàn)故障，應(yīng)用變幅器更為精準(zhǔn)控制速度。具體來看，變幅結(jié)構(gòu)通過大臂橫梁上載重小車的往返運(yùn)動來調(diào)整吊鉤覆蓋幅度范圍，此時發(fā)揮變幅器的V/F 控制模式便可達(dá)成目標(biāo)，如圖3所示，主電路結(jié)構(gòu)中變幅器和PLC 協(xié)同發(fā)揮作用，采集來自PLC 的DI 信號，基于實(shí)際編寫變頻器的換速邏輯，此時便可以控制載重小車的運(yùn)動幅度和運(yùn)行速度，避免其出現(xiàn)安全事故。

圖3 變幅結(jié)構(gòu)主電路圖示

3.4 變頻器在回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是指用于實(shí)現(xiàn)起重機(jī)吊臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的系統(tǒng)，通常包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置、電機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)。通過上述組件協(xié)同工作，使得塔式起重機(jī)能夠360°旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)各種工作場景。

傳統(tǒng)情況下，塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)系統(tǒng)借助雙電機(jī)實(shí)現(xiàn)控制。由于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)大臂長度多數(shù)超出60m，此種及控制方式難以滿足目標(biāo)。尤其是在穩(wěn)定、精準(zhǔn)定位方面，存在明顯的局限性。基于此，借助變幅器調(diào)整回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，借助帶渦流制動線圈的電機(jī)作為動力系統(tǒng)取代傳統(tǒng)動力組成，發(fā)揮渦流線圈優(yōu)勢，保證回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定運(yùn)行，此設(shè)計(jì)模式下，渦流線圈、回轉(zhuǎn)電機(jī)和變頻器之間連接如圖4 所示。

圖4 應(yīng)用變頻器后的設(shè)計(jì)方案圖示

結(jié)合圖4 可知，通過變頻器接收操控指令，并向回轉(zhuǎn)電機(jī)和渦流模塊發(fā)送信號，驅(qū)動其按照指令要求完成運(yùn)行，此時，渦流模塊也依據(jù)操控指令的要求，向回轉(zhuǎn)電機(jī)的渦流線圈傳輸信號，依據(jù)這種方式可以提升運(yùn)行穩(wěn)定性，也可以確保回轉(zhuǎn)臂實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。

4 結(jié)語

隨著建筑工程和物流需求的不斷增加，變頻器的引入使得塔式起重機(jī)在適應(yīng)性、精準(zhǔn)度和能效方面都取得了顯著的進(jìn)步。在操作靈活性方面，變頻器技術(shù)使得塔式起重機(jī)可以根據(jù)不同任務(wù)的需求，實(shí)時調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而更加靈活適應(yīng)各種復(fù)雜的搬運(yùn)和起吊場景。能效方面，變頻器的應(yīng)用有效減少了啟動和制動時的電流沖擊，降低了能耗，提高了電能的利用效率。基于此，本文以集成了渦流控制的麥格米特MV600L 變頻器和QTZ315 型塔機(jī)為研究對象，詳細(xì)闡述變頻器在塔式起重機(jī)中的應(yīng)用，可以為塔式起重機(jī)功能優(yōu)化提高更多參考，并為建筑類機(jī)械向智能化、自動化、高效化方向發(fā)展提供了支持。