變頻技術在塔機起升機構上應用探討

一
、概 述

隨(sui)著(zhe)我(wo)國(guo)建(jian)築(zhu)業(ye)的(de)不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)
，建(jian)築(zhu)施(shi)工(gong)機(ji)械(xie)化(hua)水(shui)平(ping)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，對(dui)塔(ta)機(ji)的(de)製(zhi)造(zao)質(zhi)量(liang)和(he)整(zheng)機(ji)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)。塔(ta)機(ji)的(de)各(ge)個(ge)傳(chuan)動(dong)機(ji)構(gou)所(suo)采(cai)用(yong)的(de)方(fang)式(shi)、控製係統的技術水平、用(yong)戶(hu)的(de)可(ke)操(cao)作(zuo)性(xing)和(he)可(ke)維(wei)護(hu)性(xing)基(ji)本(ben)上(shang)就(jiu)體(ti)現(xian)了(le)整(zheng)個(ge)塔(ta)機(ji)的(de)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)和(he)檔(dang)次(ci)。而(er)在(zai)這(zhe)幾(ji)個(ge)機(ji)構(gou)中(zhong)，最(zui)為(wei)重(zhong)要(yao)也(ye)是(shi)最(zui)具(ju)有(you)技(ji)術(shu)代(dai)表(biao)性(xing)的(de)是(shi)起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)
，它(ta)控(kong)製(zhi)功(gong)率(lv)最(zui)大(da)
、調速範圍最寬、出故障後的維修難度也最大。而且該係統在變速過程所產生的機械衝擊的大小將直接影響塔機結構件的疲勞損傷程度。

weilegaijinqixingneng，guoneigezhujishengchanshangzaiqishengjigoudetiaosukongzhijishushangyihualexuduogongfu
，dedaolechangzudejinbu。congzhengtishangkan，juedaduoshucaiyongdeshichuantongdedandianjichuandong，yidaiwoliuzhidongqideraoxianshidianjiheduojidianjitiaosudefanganweizhu。zhexiechuantongdetiaosufangan
，yaoxiangdadaojiaokuandetiaosufanwei，qitujingbuwaihushejizhizaodagonglv
、寬調速範圍的非標電機，如：采cai用yong帶dai渦wo流liu製zhi動dong器qi的de多duo極ji繞rao線xian式shi電dian機ji或huo製zhi作zuo大da極ji差cha的de多duo速su電dian機ji等deng。由you於yu塔ta機ji起qi升sheng機ji構gou所suo需xu要yao的de較jiao高gao調tiao速su要yao求qiu不bu但dan給gei電dian機ji生sheng產chan廠chang商shang帶dai來lai了le較jiao多duo的de質zhi量liang控kong製zhi難nan題ti
，而er且qie也ye增zeng加jia了le控kong製zhi回hui路lu和he電dian機ji的de製zhi造zao成cheng本ben
，降jiang低di了le係xi統tong可ke靠kao性xing。更geng有you甚shen者zhe，隨sui著zhe用yong戶hu對dui塔ta機ji的de起qi吊diao能neng力li要yao求qiu越yue來lai越yue大da，傳chuan統tong控kong製zhi方fang式shi已yi經jing越yue來lai越yue感gan覺jiao到dao力li不bu從cong心xin
，不bu論lun是shi上shang述shu技ji術shu的de可ke實shi現xian性xing，其qi製zhi造zao成cheng本ben以yi及ji使shi用yong性xing能neng等deng方fang麵mian也ye存cun在zai一yi些xie問wen題ti。所suo以yi，我wo們men不bu得de不bu尋xun求qiu更geng理li想xiang的de新xin的de調tiao速su控kong製zhi技ji術shu。

鑒於以上的原因
，國內外的專業生產商在塔機的起升調速方式上進行了較多的新技術應用嚐試
，比如：采cai用yong多duo極ji電dian機ji的de調tiao壓ya調tiao速su，引yin進jin變bian頻pin調tiao速su等deng。逐zhu漸jian地di
，隨sui著zhe變bian頻pin技ji術shu的de不bu斷duan發fa展zhan，不bu斷duan地di被bei人ren們men認ren識shi，它ta以yi絕jue對dui的de優you勢shi超chao越yue了le其qi他ta的de任ren何he調tiao速su方fang案an，其qi優you點dian數shu不bu勝sheng數shu
，如ru：零速抱閘，對製動器無磨損;任意低的就位速度，可用於精確吊裝;速度的平滑過渡，對機構和結構件無衝擊
，提高了塔機的運行安全性;極低的起動電流，減輕了用戶電網擴容的負擔;幾乎任意寬的調速範圍，提高了塔機的工作效率;節能的調速方式


，減少了係統運行能耗;單dan速su的de鼠shu籠long電dian動dong機ji保bao證zheng了le機ji構gou的de運yun行xing可ke靠kao性xing厖厖。正zheng是shi因yin為wei這zhe些xie明ming顯xian的de特te點dian和he優you勢shi

，國guo外wai的de塔ta機ji製zhi造zao商shang所suo推tui出chu的de新xin一yi代dai塔ta機ji的de起qi升sheng機ji構gou也ye大da多duo采cai用yong變bian頻pin調tiao速su方fang案an，如ruPOTAIN，LIEBHERRdengshijiezhuminggongsi。tongshiwomenrenwei，suizhebianpinqijiagedebuduanjiangdi，kekaoxingbuduantigao，bianpinjishuyidingnengzaitajishangdedaoguangfanyingyong，zhejiangduichanpindeanquanyunxinghejianshaoyunxingnenghaodouyouzhongyaodeyiyi。weilepujibianpinjishu，jiashenduibianpintiaosufangandelejie，benwenjiangduibianpinjishuzaitajiqishengjigoushangdeyingyongzuoyitantao。

二
、常規變頻起升機構

1.結構介紹

變頻調速技術在塔機各傳動機構的應用在我國已經有近10年nian的de時shi間jian，雖sui然ran取qu得de了le一yi些xie成cheng功gong的de應ying用yong經jing驗yan，並bing且qie也ye有you不bu少shao的de變bian頻pin起qi升sheng機ji構gou現xian在zai正zheng在zai工gong地di正zheng常chang運yun行xing，但dan與yu其qi他ta行xing業ye相xiang比bi
，變bian頻pin調tiao速su技ji術shu在zai塔ta機ji上shang的de應ying用yong還hai遠yuan遠yuan未wei達da到dao應ying有you的de程cheng度du
，其qi中zhong有you成cheng本ben的de原yuan因yin，也ye有you技ji術shu的de原yuan因yin。

國內和國外目前所采用的典型方案，從技術上來講，大同小異
，不同點在於：

(1)變頻器的品牌不同
，其采用的控製回路不同;

(2)係統是開環(不帶PG)或者是閉環(帶PG)

(3)機械結構的形式的不一樣：L型布置
、п型布置或一字型布置等;

(4)減速機的類型不一樣，如：圓柱齒輪減速機或行星減速機;是定速比或可變速比等。

jiuchuandongkongzhijishueryan，yishangsuoshuchayibingweishejikongzhifangshidegaibian，junweicaiyongyitaibianpinqikongzhiyitaidiandongjijinxingtiaosudedianxingmoshi，yekechengqiweichangguibianpinqishengjigou。zaisuoyoudezhexiechangguibianpinjigouzhong， LIEBHERR公司在EC-H型塔機上裝配的變頻起升機構的特點最為突出

，它采用250V電動機和與之匹配的變頻器
，配置可變速比的減速機，L型布置。該方案具備較好的起升速度特性，其缺點是係統成本高
，而且部件通用性差。

2.常規變頻起升機構的設計要點

(1)電動機極數和功率的校核

當起升機構的基本參數(如：最大起重量
、最高工作速度等)給定後，就要對電動機的極數和功率進行確定和計算
，其設計要點是：

a)電動機輸出轉速應小於3000轉/分(由減速機輸入級的工作轉速限製);

b)係統最高工作頻率應小於100Hz(頻率越高
，電動機的損耗功率就越大，將破壞恒功率特性，起吊能力大幅度降低而無實際應用價值);

c)電動機額定轉矩用於校核最大起重量(考慮總傳動比、效率
、倍率等);

d)電動機的額定功率用於校核高速時的起重量(考慮總傳動比、效率
、倍率等
，如果頻率接近100Hz
，應考慮有效功率降低10～15%)。

在選擇電機功率時，根據以上的條件就能基本確定減速機的減速比與電動機功率和極數。

(2)電控係統的設計

a)變頻器的選取

當dang係xi統tong的de電dian動dong機ji確que定ding後hou，就jiu可ke著zhe手shou進jin行xing控kong製zhi係xi統tong的de設she計ji。首shou先xian是shi變bian頻pin器qi的de選xuan型xing。現xian在zai市shi場chang上shang的de國guo內nei外wai變bian頻pin器qi品pin牌pai不bu少shao
，控kong製zhi水shui平ping和he可ke靠kao性xing差cha別bie較jiao大da，技ji術shu上shang大da體ti可ke分fen為weiV/F控製
、矢量控製和DTC直接轉矩控製三種。用於塔機的起升機構，建議最好選用具有矢量控製功能或者是具有DTC直接轉矩控製功能的變頻器
，這樣的變頻器品牌較多，設計者可根據自己的熟悉程度
、技術支持力度、其他行業廠的使用情況等因素來選擇。

youyubianpinqipinpaidebutong，xiangtonggonglvxiabianpinqideguozainengliheedingdianliuzhiyebuwanquanyizhi。suoyi，xuanzebianpinqirongliangshi
，budanyaokanedinggonglvdedaxiao，haiyaoxiaoheedinggongzuodianliushifoudayuhuozhedengyudiandongjideedingdianliu
，yibandejingyanshixuanzebianpinqidegonglvdayudiandongjigonglv10～30%左右。

b)能耗電阻的選取

作(zuo)為(wei)起(qi)重(zhong)用(yong)變(bian)頻(pin)係(xi)統(tong)，其(qi)設(she)計(ji)的(de)重(zhong)點(dian)在(zai)於(yu)電(dian)動(dong)機(ji)處(chu)於(yu)回(hui)饋(kui)製(zhi)動(dong)狀(zhuang)態(tai)下(xia)的(de)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)
，因(yin)為(wei)這(zhe)種(zhong)係(xi)統(tong)出(chu)故(gu)障(zhang)往(wang)往(wang)都(dou)發(fa)生(sheng)在(zai)重(zhong)物(wu)下(xia)降(jiang)時(shi)的(de)工(gong)況(kuang)

，如(ru)溜(liu)鉤(gou)、超速、過guo壓ya等deng。也ye就jiu是shi說shuo重zhong物wu下xia降jiang工gong況kuang時shi變bian頻pin係xi統tong的de性xing能neng好hao壞huai將jiang直zhi接jie影ying響xiang整zheng個ge起qi升sheng機ji構gou能neng否fou安an全quan運yun行xing。這zhe就jiu要yao求qiu設she計ji人ren員yuan清qing楚chu地di了le解jie變bian頻pin傳chuan動dong係xi統tong的de回hui饋kui工gong作zuo過guo程cheng，才cai能neng做zuo到dao心xin中zhong有you數shu。

大da部bu分fen變bian頻pin器qi的de產chan品pin說shuo明ming中zhong，對dui如ru何he選xuan擇ze能neng耗hao電dian阻zu的de電dian阻zu值zhi和he功gong率lv並bing沒mei有you非fei常chang清qing楚chu的de描miao述shu，而er且qie往wang往wang按an其qi推tui薦jian的de標biao準zhun配pei置zhi並bing不bu能neng完wan全quan滿man足zu起qi重zhong工gong況kuang的de要yao求qiu，同tong時shi有you關guan這zhe方fang麵mian論lun述shu的de文wen章zhang也ye不bu多duo見jian，所suo以yi在zai變bian頻pin起qi重zhong控kong製zhi係xi統tong的de設she計ji中zhong，電dian阻zu參can數shu選xuan擇ze顯xian得de有you些xie混hun亂luan。本ben文wen將jiang對dui電dian機ji工gong作zuo在zai回hui饋kui製zhi動dong狀zhuang態tai時shi係xi統tong的de工gong作zuo機ji理li進jin行xing定ding性xing的de分fen析xi
，讀du者zhe可ke以yi通tong過guo這zhe些xie分fen析xi進jin一yi步bu得de到dao有you關guan電dian阻zu參can數shu的de計ji算suan方fang法fa。

①電阻值的選取

基本可以按變頻器樣本給出的參數確定，基本原則是，考慮直流回路的電壓(重物下降工況時將超過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

yaozhunquedixuanzedianzudegonglvshifeichangzhongyaode，ruoxuanzetaida，huizengjiaxitongchengben，taixiaojiuhuizaochengyunxingdebukekao。danyaohelizhunquedixuanzenenghaodianzudegonglvshiyigejiaofansuodeshi，yingxianggaicanshudeyinsujiaoduo，ru：電機功率大小、減速機反向效率
、下降運行時間長短、負加速度的大小、減(jian)速(su)運(yun)行(xing)時(shi)間(jian)以(yi)及(ji)傳(chuan)動(dong)部(bu)件(jian)的(de)轉(zhuan)動(dong)慣(guan)量(liang)等(deng)都(dou)會(hui)影(ying)響(xiang)到(dao)電(dian)阻(zu)功(gong)率(lv)的(de)選(xuan)取(qu)。所(suo)以(yi)
，我(wo)們(men)得(de)首(shou)先(xian)從(cong)分(fen)析(xi)係(xi)統(tong)在(zai)下(xia)降(jiang)工(gong)況(kuang)的(de)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)，從(cong)而(er)得(de)到(dao)電(dian)阻(zu)功(gong)率(lv)的(de)確(que)定(ding)方(fang)法(fa)。

重物的下降功率是經“傳動部件”、“電動機”(此時處於發電狀態)、變頻器內的反向整流回路再由製動單元而傳遞到“電阻R”上的，如果傳動環節的反向效率越低，電阻上消耗的功率就越小。

於是有：

“電阻R”發熱消耗功率+傳遞路徑上消耗的功率=重物下降的功率

進一步還可得到電阻消耗功率P的表達式：

在勻速下降時穩態功耗：

Pe = ωm×Me×δ ①

式中：δ是傳動係統的反向效率

減速時的峰值功耗：

Pm = Pe+δ×J×(ωm-ωd)/Ta ②

式中：J是傳動係統的轉動慣量

結合式①和式②有：

當起升機構運行在額定功率狀態並高速下降時，如果此時給出減速指令，在減速的初期

，電阻的消耗功率將達到最大值;

過短的減速時間，將造成在電阻上的消耗功率峰值上升;

係統的轉動慣量和載荷越大，減速時的製動轉矩就越高，也會造成在電阻上消耗功率的峰值上升;

當傳動係統的機械效率越低，電阻消耗功率也越低。

可見，要準確地計算電阻消耗功率，就必須知道傳動係統中各個部件的轉動慣量、減速點對應的起始工作速度和結束工作速度、減(jian)速(su)過(guo)程(cheng)的(de)時(shi)間(jian)長(chang)短(duan)以(yi)及(ji)係(xi)統(tong)載(zai)荷(he)大(da)小(xiao)等(deng)。要(yao)確(que)定(ding)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)的(de)精(jing)確(que)值(zhi)，在(zai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)初(chu)期(qi)是(shi)有(you)一(yi)定(ding)難(nan)度(du)的(de)，其(qi)一(yi)，在(zai)產(chan)品(pin)未(wei)完(wan)成(cheng)前(qian)，無(wu)法(fa)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)或(huo)計(ji)算(suan)各(ge)傳(chuan)動(dong)部(bu)件(jian)的(de)轉(zhuan)動(dong)慣(guan)量(liang);qier
，zaishijishiyongzhong
，xitongdejiansutezhengshihuisuixianchangdexuyaoergaibiande。suoyidaduoqingkuangxia
，dianzugonglvdouweizuoyangejisuan。jingyandequzhiyibanshidianjigonglvde40～70%之間

，減速機的反向效率較低時，可以選用較小的電阻功率。

隻要充分了解了變頻係統的減速過程的工作狀態，就可以根據所設計係統的實際工作表現來修正電阻參數。

c)控製方案的確定

首shou先xian是shi係xi統tong采cai用yong開kai環huan或huo閉bi環huan控kong製zhi的de選xuan擇ze
，筆bi者zhe認ren為wei
，一yi般ban的de塔ta機ji起qi升sheng機ji構gou可ke以yi采cai用yong開kai環huan控kong製zhi方fang式shi，那na些xie對dui速su度du控kong製zhi精jing度du要yao求qiu較jiao高gao的de情qing況kuang才cai要yao考kao慮lv閉bi環huan控kong製zhi。如ru果guo要yao構gou成cheng閉bi環huan係xi統tong
，一yi定ding要yao有youPG(編碼器)、檢測回路和連接線。這些環節加大了安裝的複雜性;增加了係統成本;更重要的是降低了係統的可靠性
，因為在閉環係統中
，反饋回路任何細小的差錯可能造成係統紊亂。

qicishisudugeidingfangshidexuanqu
，juedaduoshudebianpinqidouyouduozhongsudushurufangshi，ruduojikaiguanliangshurufangshihemonilianggeidingfangshi，bushaopinpaidebianpinqihaijubeiyouzongxiantongxinjiekou。duiyuchangguibianpinqishengjigou，daduocaiyongkaiguanliangzuoweisudugeiding

，butongzaiyushicaiyongPLC還是繼電邏輯控製。筆者認為
，最為簡潔的係統結構應該是由PLC與變頻器通信接口傳送速度與控製指令，這樣，控製櫃內的連接線最少。

三、雙變頻起升機構

1.開發雙變頻起升機構的必要性

到目前為止
，變頻器在塔機起升機構上的應用已經有了近10年nian的de曆li史shi，從cong上shang述shu分fen析xi我wo們men知zhi道dao，變bian頻pin調tiao速su技ji術shu會hui給gei塔ta機ji的de運yun行xing帶dai來lai較jiao多duo的de好hao處chu，而er且qie國guo家jia的de有you關guan技ji術shu推tui廣guang部bu門men和he行xing業ye協xie會hui也ye舉ju辦ban過guo多duo次ci變bian頻pin技ji術shu應ying用yong的de專zhuan題ti研yan討tao會hui，但dan實shi際ji的de采cai用yong量liang並bing不bu理li想xiang，業ye內nei隻zhi有you少shao數shu有you實shi力li的de主zhu機ji廠chang推tui出chu過guo變bian頻pin起qi升sheng機ji構gou，這zhe遠yuan不bu能neng與yu其qi他ta行xing業ye的de應ying用yong程cheng度du相xiang比bi。有you理li由you認ren為wei，限xian製zhi變bian頻pin技ji術shu在zai行xing業ye內nei推tui廣guang的de主zhu要yao原yuan因yin是shi：

變頻係統出現故障後的售後服務難度大，與常規係統相比，加大了塔機的停機維修時間，增加了用戶的停工損失;

變頻控製係統的成本要高於常規起升機構，增加了推廣難度;

變頻起升機構成本的60%左zuo右you是shi變bian頻pin器qi
，由you於yu目mu前qian變bian頻pin器qi的de價jia格ge還hai較jiao高gao，所suo以yi係xi統tong總zong成cheng本ben要yao高gao於yu常chang規gui起qi升sheng機ji構gou，但dan隨sui著zhe變bian頻pin技ji術shu的de不bu斷duan普pu及ji和he提ti高gao
，變bian頻pin器qi的de價jia格ge還hai有you較jiao大da的de下xia降jiang空kong間jian

，而er常chang規gui起qi升sheng機ji構gou的de成cheng本ben基ji本ben已yi無wu潛qian力li可ke挖wa。我wo們men相xiang信xin

，在zai不bu久jiu的de將jiang來lai

，常chang規gui起qi升sheng機ji構gou的de成cheng本ben將jiang無wu絕jue對dui優you勢shi可ke言yan。所suo以yi，行xing業ye技ji術shu工gong作zuo者zhe的de當dang務wu之zhi急ji是shi如ru何he能neng設she計ji出chu減jian輕qing售shou後hou服fu務wu壓ya力li的de變bian頻pin起qi升sheng係xi統tong。

2.塔機起升機構的作業狀況分析

hengliangyitaitajidegongzuonengli

，budanshisuopeiqishengjigoudezuidaqizhongliangzheyicanshu，ergengweizhongyaodecanshushigongzuolijudedaxiao，tashitajianquanyunxingdezhongyaozhibiao。zhengshiyouyulijucanshudexianzhi，tajishibukenengzairenhegongzuofuduxiadounengqidiaozuidaqizhongliangde
，erqieconggongdixianchangdeshijiyunxingqingkuanglaikan，tajiqidiaozuidazhongliangdegongkuangyeshifeichangshaode。

中聯公司生產的5613塔機，該塔機的最大起重量為8t，最大工作半徑是56m。

“輕載區”起重量小於4t，工作半徑為56m
，作業麵積為9847m2;

“重載區”起重量大於4t，工作半徑為24m
，作業麵積為1808m2;

“滿載”區起重量等於8t，工作半徑為14m，作業麵積為615m2;

其工作死區(小車最小工作半徑)約為3m
，麵積為28m2。

經過計算得到：如果以4t的起吊重量作為輕重載的分界點，“重載區”的作業麵積隻占“輕載區”作業麵積的18%。

而且在工地對塔機的實際運行情況統計，一台配備8t起升機構的塔機，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思路：如ru果guo把ba現xian有you的de由you一yi台tai電dian動dong機ji和he一yi台tai變bian頻pin器qi控kong製zhi的de變bian頻pin起qi升sheng機ji構gou改gai變bian成cheng功gong率lv減jian半ban的de兩liang台tai電dian動dong機ji和he兩liang台tai小xiao變bian頻pin器qi來lai共gong同tong驅qu動dong的de話hua，即ji使shi有you電dian機ji或huo者zhe是shi變bian頻pin器qi出chu現xian故gu障zhang
，塔ta機ji在zai絕jue大da部bu分fen情qing況kuang下xia還hai是shi可ke以yi照zhao常chang工gong作zuo的de。這zhe樣yang就jiu大da大da減jian少shao了le主zhu機ji廠chang的de售shou後hou服fu務wu壓ya力li，對dui用yong戶hu也ye十shi分fen有you利li。

對於塔機這種特殊的起重機，如果起升機構采用雙變頻起升方案就可以：

輕載時，單電機運行
，可以達到節能和延長係統壽命的目的;

有一變頻器損壞時，可單電機工作，係統將自動斷開故障回路，能做到對係統不停機維修，大大地減少了塔機生產廠的售後壓力;

有一台電動機出故障後，同樣可采用單電機工作方式，在絕大部分工況下不影響塔機工作;

重載下
，雙電機工作
，以完美的變頻性能滿足塔機的操作要求;

各功率部件變小，減少了維修成本與難度。

該(gai)係(xi)統(tong)已(yi)經(jing)過(guo)嚴(yan)格(ge)的(de)檢(jian)測(ce)和(he)工(gong)業(ye)考(kao)核(he)
，性(xing)能(neng)達(da)到(dao)了(le)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)。我(wo)們(men)以(yi)為(wei)
，本(ben)文(wen)所(suo)討(tao)論(lun)的(de)雙(shuang)變(bian)頻(pin)起(qi)升(sheng)機(ji)構(gou)是(shi)為(wei)我(wo)國(guo)塔(ta)機(ji)行(xing)業(ye)在(zai)變(bian)頻(pin)調(tiao)速(su)技(ji)術(shu)的(de)應(ying)用(yong)上(shang)找(zhao)到(dao)了(le)一(yi)條(tiao)可(ke)行(xing)的(de)新(xin)思(si)路(lu)，這(zhe)對(dui)提(ti)升(sheng)我(wo)國(guo)的(de)塔(ta)機(ji)技(ji)術(shu)水(shui)平(ping)
、提高係統的可維護性、降低主機廠的售後服務壓力以及減小與國外同行的技術差距都有重要的積極意義。