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匯川變頻器在塔式起重機起升機構(gòu)的應用
時間：2022-03-08來源：起重機廠家瀏覽次數(shù)：153
摘要：本文介紹目前國內(nèi)塔機起升機構(gòu)幾種主要調(diào)速方式，指出了各種方式的優(yōu)劣和適用范圍；針對4繩最大起重量小于等于6t的小中型塔機提出了使用交流變頻調(diào)速方式，使用匯川矢量變頻器實現(xiàn)，給出了完善的解決方案。
關鍵詞：塔式起重機、匯川變頻器、無速度矢量模式
塔式起重機針對建筑施工中的模板工藝而進行研發(fā)，適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工業(yè)與民用建筑施工中建筑材料與構(gòu)件的起重吊運。
1．目前國內(nèi)起升機構(gòu)的主要調(diào)速方式
起升機構(gòu)是塔式起重機最重要的傳動機構(gòu)，目前傳統(tǒng)調(diào)速方式下要求重載低速，輕載高速，調(diào)速范圍大；起升機構(gòu)調(diào)速方式的優(yōu)劣直接影響整機性能。起升機構(gòu)調(diào)速方式選擇原則有三個：首先要平穩(wěn)，沖擊?。黄浯我?jīng)濟和可靠，符合國情；三是要便于維修。
1.1多速電機變極調(diào)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(nèi)以多速電機變極調(diào)速為主，方案簡單，應用較廣，常采用4/8/32極多速電機實現(xiàn)。
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(zhuǎn)子電機
該調(diào)速方式我國已采用幾十年，但現(xiàn)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(zhuǎn)子電機串電阻獲取較軟的特性和慢就位速度。它的優(yōu)點是運行比效平穩(wěn)，調(diào)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(chǎn)機床用產(chǎn)品，壽命短，可靠性差；其次是不能空中動態(tài)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(zhuǎn)子電機
將上一種方式的電磁離合器換檔改為多速電機驅(qū)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(zhuǎn)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(wěn)，有慢就位速度，功率可以比鼠籠電機用得大。這種調(diào)速方式構(gòu)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(zhuǎn)子電機散熱問題，大大提高了這種調(diào)速方式的可靠性。
目前國內(nèi)8～12t起升機構(gòu)大多采用這種調(diào)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(tǒng)比較復雜，16t以上的大噸位起升機構(gòu)一般不宜再采用這種調(diào)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(qū)動，行星架由另一臺電機經(jīng)行星減速驅(qū)動，外軌道的內(nèi)齒圈固定在起升卷筒上。這就是差動行星減速器的構(gòu)造。行星系確定為某一合適參數(shù)后，卷筒轉(zhuǎn)速就取決于兩臺電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，同向快速，反向慢速。如果是單速電機，每臺電機則有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止三種狀態(tài)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(diào)速原理。電機可用鼠籠或變頻與鼠籠相結(jié)合，較小噸位用鼠籠，大噸位用變頻與鼠籠相結(jié)合。這種方式調(diào)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(gòu)。
但差動行星減速器結(jié)構(gòu)復雜，一般要非標設計與生產(chǎn)，加上雙電機，成本較高，控制復雜。主機生產(chǎn)廠家采用的不多。
1.5變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是當今最先進的交流調(diào)速方式。隨著國際變頻器價格的逐步下降，變頻調(diào)速技術應用越來越廣泛。國內(nèi)塔機起升機構(gòu)的應用已多年，效果良好，但使用面不廣。它的優(yōu)點是慢就位速度可長時間運行，實現(xiàn)零速制動，運行平穩(wěn)無沖擊，能延長結(jié)構(gòu)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(gòu)使用面很窄，一是進口變頻器仍然較貴，國產(chǎn)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(diào)速由于成本高，一般中小噸位起升機構(gòu)應用少，大噸位則較多。變速調(diào)速在中小噸位大面積使用，只有等待國產(chǎn)變頻器的崛起。
2．變頻器在塔式起重機起升機構(gòu)的方案
塔式起重機在起升機構(gòu)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(fā)展，國產(chǎn)變頻器技術日益成熟，價格優(yōu)勢明顯，應用于中小塔機已經(jīng)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(fā)展方向的新一代模塊化高性能變頻器。與傳統(tǒng)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(chǎn)品來實現(xiàn)（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(chǎn)品的多模塊組合，創(chuàng)建一個客戶化量身定做的平臺。是國內(nèi)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(yōu)良的無速度矢量控制策略使其具有較快的動態(tài)響應，先進的電流限制技術和硬件優(yōu)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(yè)或軍工等級；專業(yè)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(gòu)假的沖擊，為用戶節(jié)省了維護的費用，運行穩(wěn)定。
2.1.3高啟動轉(zhuǎn)矩
采用高性能磁通矢量控制模式，低頻段提供穩(wěn)定高輸出轉(zhuǎn)矩。
2.2工藝介紹
中小型塔式起重機典型規(guī)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(gòu)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(diào)速方式，需要對相關設備和技術指標進行適當?shù)恼{(diào)整。
2.3參數(shù)計算
起重機變頻調(diào)速系統(tǒng)由主令控制器或電位器做為輸入給定，通過變頻調(diào)頻調(diào)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(gòu)等交流變頻異步電動機起、制動、可逆運轉(zhuǎn)與調(diào)速。
設備選型參數(shù)：動滑輪2倍率，起升機構(gòu)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(zhuǎn)/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(shù)，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=21.7m/min
根據(jù)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(jié)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(yōu)化；通過縮短啟動和就位時間，空鉤高于50HZ運行等多種協(xié)調(diào)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(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術對塔式起重機電力拖動系統(tǒng)進行技術改造，使起重機實現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運行效率，改善超負荷作業(yè)，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(shù)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(diào)速方法具有如下顯著特點：
2.4.1調(diào)速范圍寬，可實現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；
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(jié)構(gòu)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(tǒng)接線復雜問題，不僅降低了系統(tǒng)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(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠；
2.4.5具有快速的動態(tài)響應，不會出現(xiàn)溜鉤并真正實現(xiàn)“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(xiàn)“輕載快速，重載慢速”的作業(yè)要求；
2.4.7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)的功率因數(shù)和整機工作效率，節(jié)能效果顯著，平均節(jié)電率可達20%以上；
3．結(jié)束語
迄今為止，該設計無速度矢量變頻調(diào)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(shù)采用有級調(diào)速，無級調(diào)速盡管是發(fā)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(diào)速的成本與帶渦流制動的多速繞線轉(zhuǎn)子電機變極調(diào)速差距不大，性能卻有很大提高，可見意義重大。
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