匯川變頻器在塔式起重機起升機構的應用

塔式起重機針對建筑施工中的模板工藝而進行研發，適用于鋼筋混凝土結構的工業與民用建筑施工中建筑材料與構件的起重吊運。

　　1．目前國內起升機構的主要調速方式

　　起升機構是塔式起重機最重要的傳動機構，目前傳統調速方式下要求重載低速，輕載高速，調速范圍大；起升機構調速方式的優劣直接影響整機性能。起升機構調速方式選擇原則有三個：首先要平穩，沖擊??；其次要經濟和可靠，符合國情；三是要便于維修。

　　1.1 多速電機變極調速

　　4繩最大起重量小于等于6T的小中型塔機競爭激烈，成本控制嚴格，國內以多速電機變極調速為主，方案簡單，應用較廣，常采用4/8/32極多速電機實現。

　　1.2 電磁離合器換檔的減速器加帶渦流制動的單速繞線轉子電機

　　該調速方式我國已采用幾十年，但現在已逐漸不再使用。它靠電磁離合器換檔改變減速器的速比，靠帶渦流制動的單速繞線轉子電機串電阻獲取較軟的特性和慢就位速度。它的優點是運行比效平穩，調速比可以設計較大。它的缺點較多，首先電磁離合器一般采用國產機床用產品，壽命短，可靠性差；其次是不能空中動態變換離合器檔位，不然會下滑，這很危險；三是減速器成本較高。

　　1.3 普通減速器加帶渦流制動的多速繞線轉子電機

　　將上一種方式的電磁離合器換檔改為多速電機驅動普通單速比減速器則是本方式的思路。相對于多速電機換檔沖擊大的缺點，帶渦流制動的多速繞線轉子電機可串電阻獲取較軟的M-n特性，起制動和檔位切換較平穩，有慢就位速度，功率可以比鼠籠電機用得大。這種調速方式構造簡單，易維護，可靠性高。目前已成功地解決了渦流制動繞線轉子電機散熱問題，大大提高了這種調速方式的可靠性。

　　目前國內8～12t起升機構大多采用這種調速方式，但是這種電機起制動和換檔仍有較大的峰值電流和沖擊，電氣控制系統比較復雜，16t以上的大噸位起升機構一般不宜再采用這種調速方式。

　　1.4 差動行星減速器加雙電機

　　行星減速器的太陽輪由一臺電機驅動，行星架由另一臺電機經行星減速驅動，外軌道的內齒圈固定在起升卷筒上。這就是差動行星減速器的構造。行星系確定為某一合適參數后，卷筒轉速就取決于兩臺電機的轉速和轉向，同向快速，反向慢速。如果是單速電機，每臺電機則有正轉、反轉和停止三種狀態與另一臺電機相配，因此速度檔位很多。如果用多速電機，速度檔位就更多了，這就是差動調速原理。電機可用鼠籠或變頻與鼠籠相結合，較小噸位用鼠籠，大噸位用變頻與鼠籠相結合。這種方式調速比大，完全能滿足重載低速、輕載高速的要求，而且可靠性高，特別適合于大噸位起升機構。

　　但差動行星減速器結構復雜，一般要非標設計與生產，加上雙電機，成本較高，控制復雜。主機生產廠家采用的不多。

　　1.5 變頻調速

　　變頻調速是當今最先進的交流調速方式。隨著國際變頻器價格的逐步下降，變頻調速技術應用越來越廣泛。國內塔機起升機構的應用已多年，效果良好，但使用面不廣。它的優點是慢就位速度可長時間運行，實現零速制動，運行平穩無沖擊，能延長結構和傳動件的壽命，對鋼絲繩排繩和壽命大有裨益，同時提高了塔機的安全性。

　　但其在起升機構使用面很窄，一是進口變頻器仍然較貴，國產變頻器不過關；二是變頻器一旦出了問題，一般修不了，大多只能換新；變頻調速由于成本高，一般中小噸位起升機構應用少，大噸位則較多。變速調速在中小噸位大面積使用，只有等待國產變頻器的崛起。

　　2．變頻器在塔式起重機起升機構的方案

　　塔式起重機在起升機構中應用變頻技術以日本安川變頻器為主，主要應用于中大塔機，同時4繩最大起重量小于等于6T的小中型塔機競爭激烈，成本控制嚴格，所以變頻器應用極少。隨著電力電子技術的發展，國產變頻器技術日益成熟，價格優勢明顯，應用于中小塔機已經成為可能。

　　2.1 匯川變頻器簡介

　　MD系列變頻器是深圳匯川技術有限公司推出的代表未來變頻器發展方向的新一代模塊化高性能變頻器。與傳統意義上的變頻器相比，在滿足客戶不同性能、功能需求方面，它不是通過多個系列產品來實現（從而增加額外的制造、銷售、使用、維護成本），而是在客戶需求合理細分的基礎上，進行模塊化設計，通過單系列產品的多模塊組合，創建一個客戶化量身定做的平臺。是國內少有的幾家真正擁有磁通矢量技術的變頻器。

　　該系列變頻器采用優良的無速度矢量控制策略使其具有較快的動態響應，先進的電流限制技術和硬件優化設計，能保證在負載頻繁波動的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點：

　　2.1.1 可靠性

　　完善的可靠性設計方案：如冗余設計，降額設計等，所有元器件全部采用工業或軍工等級；專業化的制作平臺，從而保證整機的可靠性。

　　2.1.2 軟啟動

　　相比工頻起動方式，采用變頻器控制可以減小機械部分震動和構假的沖擊，為用戶節省了維護的費用，運行穩定。

　　2.1.3 高啟動轉矩

　　采用高性能磁通矢量控制模式，低頻段提供穩定高輸出轉矩。

　　2.2工藝介紹

　　中小型塔式起重機典型規格QTZ315塔式起重機，應用廣泛；2倍率主要技術指標為：最大起升重量3T，起升速度52/26/5.5m/min，起升機構15/15/5.5KW的4/8/32多極電機，減速機速比I=12.5，滾筒直徑300mm。

　　對于中小型塔式起重機最關鍵的指標是最大起升重量3T，滾筒直徑300mm不能有太大變化，對速度的要求也比較高。選用變頻調速方式，需要對相關設備和技術指標進行適當的調整。

　　2.3 參數計算

　　起重機變頻調速系統由主令控制器或電位器做為輸入給定，通過變頻調頻調速電控設備、荷重測控儀、限位開關、制動器等配合使用，來控制起重機的起升機構等交流變頻異步電動機起、制動、可逆運轉與調速。

　　設備選型參數：動滑輪2倍率，起升機構18.5KW的4極異步鼠籠電機，減速機速比I=31.5；滾筒直徑300mm，即I=31.5,R=D/2=150mm=0.15m,Nn=1450轉/分,Pn=18.5KW。

　　2.3.1 最大起升重量的計算

　　Pn=2＊π＊Nn＊Tn/60＊1000

　　得：Tn= Pn＊1000＊60/2＊π＊ Nn=18.5＊1000＊60/2π＊1450=121.9Nm

　　得理論起升重量為：
F=2＊Tn＊I＊/R＊10000=2＊121.9＊31.5/0.15＊10000=5.1198T

　　考慮傳動效率為0.64，則最大起升重量為：Fmax=0.64＊F=0.64＊5.1198=3.28T

　　與要求的最大起升重量相比有1.1倍保險系數，基本符合要求。

　　2.3.2最大起升速度計算

　　Vmax=π＊D＊Nn/2＊I=π＊0.3＊1450/2＊31.5=21.7 m/min
　　根據上式可知，變頻模式下，電機的最大起升速度降低了很多，主要是考慮到節約成本，在市場上有競爭力，設計時相關硬件成本估算到最優化；通過縮短啟動和就位時間，空鉤高于50HZ運行等多種協調方法，使得實踐中并不明顯感覺速度減慢。

　　2.4 性能特點

　　采用先進的現代交流變頻調速技術對塔式起重機電力拖動系統進行技術改造，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得良好實效。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：

　　2.4.1 調速范圍寬，可實現有精確控制定位要求的作業；
　　2.4.2 軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；
　　2.4.3 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，不僅降低了系統故障機率，而且易維護；
　　2.4.4 電動機在零速時，能全力矩輸出，即使制動器松動或失靈時，也不會出現重物下滑，確保系統安全可靠；
　　2.4.5 具有快速的動態響應，不會出現溜鉤并真正實現“零速交叉”功能；
　　2.4.6 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”的作業要求；
　　2.4.7 系統所用變頻器，具有自動節能操作模式，能較大提高系統的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；

　　3．結束語

　　迄今為止，該設計無速度矢量變頻調速的塔式起重機試機已三個月，整機設備運行良好，并接受定單4臺。

　　目前塔式起重機方式絕大多數采用有級調速，無級調速盡管是發展方向，但仍然受到成本等方面的限制。筆者曾做過測算，采用如上所述類似的不增大變頻器選型，適當犧牲速度的方法，變頻無級調速的成本與帶渦流制動的多速繞線轉子電機變極調速差距不大，性能卻有很大提高，可見意義重大。