变频器在起重机系统中的运用

1 概 述
　　随着我国建筑业的不断发展，建筑施工机械化水平的不断提高，对塔机的制造质量和整机技术水平的要求也越来越高。塔机的各个传动机构所采用的方式、控制系统的技术水平、用户的可操作性和可维护性基本上就体现了整个塔机的技术水平和档次。而在这几个机构中，zui为重要也是有技术代表性的是起升机构，它控制功率zui大、调速范围zui宽、出故障后的维修难度也zui大。而且该系统在变速过程所产生的机械冲击的大小将直接影响塔机结构件的疲劳损伤程度。
　　
　　 为了改进其性能，国内各主机生产商在起升机构的调速控制技术上已花了许多工夫，得到了长足的进步。从整体上看，绝大多数采用的是传统的单电机传动，以带涡流制动器的绕线式电机和多极电机调速的方案为主。这些传统的调速方案，要想达到较宽的调速范围，其途径不外乎设计制造大功率、宽调速范围的非标电机，如：采用带涡流制动器的多极绕线式电机或制作大极差的多速电机等。由于塔机起升机构所需要的较高调速要求不但给电机生产厂商带来了较多的质量控制难题，而且也增加了控制回路和电机的制造成本，降低了系统可靠性。更有甚者，随着用户对塔机的起吊能力要求越来越大，传统控制方式已经越来越感觉到力不从心，不论是上述技术的可实现性，其制造成本以及使用性能等方面也存在一些问题。所以，我们不得不寻求更理想的新的调速控制技术。
　　
　　 鉴于以上的原因，国内外的专业生产商在塔机的起升调速方式上进行了较多的新技术应用尝试，比如：采用多极电机的调压调速，引进变频调速等。逐渐地，随着变频技术的不断发展，不断地被人们认识，它以的优势超越了其他的任何调速方案，其优点数不胜数，如：零速抱闸，对制动器无磨损；任意低的就位速度，可用于吊装；速度的平滑过渡，对机构和结构件无冲击，提高了塔机的运行安全性；极低的起动电流，减轻了用户电网扩容的负担；几乎任意宽的调速范围，提高了塔机的工作效率；节能的调速方式，减少了系统运行能耗；单速的鼠笼电动机保证了机构的运行可靠性厖。正是因为这些明显的特点和优势，国外的塔机制造商所推出的新一代塔机的起升机构也大多采用变频调速方案，如POTAIN，LIEBHERR等世界公司。同时我们认为，随着变频器价格的不断降低，可靠性不断提高，变频技术一定能在塔机上得到广泛应用，这将对产品的安全运行和减少运行能耗都有重要的意义。为了普及变频技术，加深对变频调速方案的了解，本文将对变频技术在塔机起升机构上的应用作一探讨。
　　2 常规变频起升机构
　　2.1 结构介绍
　　
　　 变频调速技术在塔机各传动机构的应用在我国已经有近10年的时间，虽然取得了一些成功的应用经验，并且也有不少的变频起升机构现在正在工地正常运行，但与其他行业相比，变频调速技术在塔机上的应用还远远未达到应有的程度，其中有成本的原因，也有技术的原因。
　　
　　 现在的变频起升机构其电气控制原理和结构形式大多如图1和图2所示：
　　
　　 它基本代表了国内和国外目前所采用的典型方案，从技术上来讲，大同小异，不同点在于：
　　
　　 ⑴变频器的品牌不同，其采用的控制回路不同；
　　 ⑵系统是开环（不带PG）或者是闭环（带PG）
　　 机械结构的形式的不一样：L型布置、п型布置或一字型布置等；
　　 ⑷减速机的类型不一样，如：圆柱齿轮减速机或行星减速机；是定速比或可变速比等。
　　
　　 就传动控制技术而言，以上所述差异并未涉及控制方式的改变，均为采用一台变频器控制一台电动机进行调速的典型模式，也可称其为常规变频起升机构。在所有的这些常规变频机构中， LIEBHERR公司在EC-H型塔机上装配的变频起升机构的特点zui为突出，它采用250V电动机和与之匹配的变频器，配置可变速比的减速机，L型布置。该方案具备较好的起升速度特性，其缺点是系统成本高，而且部件通用性差。
　　2.2 常规变频起升机构的设计要点
　　
　　 ⑴．电动机极数和功率的校核
　　
　　 当起升机构的基本参数（如：zui大起重量、zui高工作速度等）给定后，就要对电动机的极数和功率进行确定和计算，其设计要点是：
　　 a.电动机输出转速应小于3000转/分（由减速机输入级的工作转速限制）；
　　 b.系统zui高工作频率应小于100Hz（频率越高，电动机的损耗功率就越大，将破坏恒功率特性，起吊能力大幅度降低而无实际应用价值）；
　　 c.电动机额定转矩用于校核zui大起重量（考虑总传动比、效率、倍率等）；
　　 d.电动机的额定功率用于校核高速时的起重量（考虑总传动比、效率、倍率等，如果频率接近100Hz，应考虑有效功率降低10～15%）。
　　 在选择电机功率时，应参考图3给出的功率损失图。根据以上的条件就能基本确定减速机的减速比与电动机功率和极数。
　　
　　 ⑵电控系统的设计
　　a.变频器的选取
　　 当系统的电动机确定后，就可着手进行控制系统的设计。首先是变频器的选型。现在市场上的国内外变频器品牌不少，控制水平和可靠性差别较大，技术上大体可分为V/F控制、矢量控制和DTC直接转矩控制三种。用于塔机的起升机构，建议选用具有矢量控制功能或者是具有DTC直接转矩控制功能的变频器，这样的变频器品牌较多，设计者可根据自己的熟悉程度、力度、其他行业厂的使用情况等因素来选择。
　　
　　 由于变频器品牌的不同，相同功率下变频器的过载能力和额定电流值也不*一致。所以，选择变频器容量时，不单要看额定功率的大小，还要校核额定工作电流是否大于或者等于电动机的额定电流，一般的经验是选择变频器的功率大于电动机功率10～30%左右。
　　b.能耗电阻的选取
　　
　　 作为起重用变频系统，其设计的重点在于电动机处于回馈制动状态下的系统可靠性，因为这种系统出故障往往都发生在重物下降时的工况，如溜钩、超速、过压等。也就是说重物下降工况时变频系统的性能好坏将直接影响整个起升机构能否安全运行。这就要求设计人员清楚地了解变频传动系统的回馈工作过程，才能做到心中有数。
　　
　　 大部分变频器的产品说明中，对如何选择能耗电阻的电阻值和功率并没有非常清楚的描述，而且往往按其推荐的标准配置并不能*起重工况的要求，同时有关这方面论述的文章也不多见，所以在变频起重控制系统的设计中，电阻参数选择显得有些混乱。本文将对电机工作在回馈制动状态时系统的工作机理进行定性的分析，读者可以通过这些分析进一步得到有关电阻参数的计算方法。
　　
　　 ①电阻值的选取
　　 基本可以按变频器样本给出的参数确定，基本原则是，考虑直流回路的电压（重物下降工况时将超过600VDC）情况下，电阻上的电流不超过变频器的额定电流。
　　 ②电阻功率的选取
　　 要准确地选择电阻的功率是非常重要的，若选择太大，会增加系统成本，太小就会造成运行的不可靠。但要合理准确地选择能耗电阻的功率是一个较烦琐的事，影响该参数的因素较多，如：电机功率大小、减速机反向效率、下降运行时间长短、负加速度的大小、减速运行时间以及传动部件的转动惯量等都会影响到电阻功率的选取。所以，我们得首先从分析系统在下降工况的工作过程，从而得到电阻功率的确定方法。　
　　 重物的下降功率是经“传动部件”、“电动机”（此时处于发电状态）、变频器内的反向整流回路再由制动单元而传递到“电阻R”上的，如果传动环节的反向效率越低，电阻上消耗的功率就越小。
于是有：
　　 “电阻R”发热消耗功率+传递路径上消耗的功率=重物下降的功率
　　 可以用图5来表示起重变频系统各个基本参数在下降减速过程中的变化状况。
　　 进一步还可得到电阻消耗功率P的表达式：
　　 在匀速下降时稳态功耗：
　　 Pe = ωm×Me×δ ①
　　 式中：δ是传动系统的反向效率
　　 减速时的峰值功耗：
　　 Pm = Pe+δ×J×(ωm-ωd)/Ta ②
　　 式中：J是传动系统的转动惯量
　　 结合图5、式①和式②有：
　　 a.当起升机构运行在额定功率状态并高速下降时，如果此时给出减速指令，在减速的初期，电阻的消耗功率将达到zui大值；
　　 b.过短的减速时间，将造成在电阻上的消耗功率峰值上升；
　　 c.系统的转动惯量和载荷越大，减速时的制动转矩就越高，也会造成在电阻上消耗功率的峰值上升；
　　 d.当传动系统的机械效率越低，电阻消耗功率也越低。
　　
　　 可见，要准确地计算电阻消耗功率，就必须知道传动系统中各个部件的转动惯量、减速点对应的起始工作速度和结束工作速度、减速过程的时间长短以及系统载荷大小等。要确定这些参数的值，在系统设计初期是有一定难度的，其一，在产品未完成前，无法测量或计算各传动部件的转动惯量；其二，在实际使用中，系统的减速特征是会随现场的需要而改变的。所以大多情况下，电阻功率都未作严格计算。经验的取值一般是电机功率的40~70%之间，减速机的反向效率较低时，可以选用较小的电阻功率。
　　
　　 只要充分了解了变频系统的减速过程的工作状态，就可以根据所设计系统的实际工作表现来修正电阻参数。
　　
　　 c.控制方案的确定
　　
　　 首先是系统采用开环或闭环控制的选择，笔者认为，一般的塔机起升机构可以采用开环控制方式，那些对速度控制精度要求较高的情况才要考虑闭环控制。如果要构成闭环系统，一定要有PG（编码器）、检测回路和连接线。这些环节加大了安装的复杂性；增加了系统成本；更重要的是降低了系统的可靠性，因为在闭环系统中，反馈回路任何细小的差错可能造成系统紊乱。
　　
　　 其次是速度给定方式的选取，绝大多数的变频器都有多种速度输入方式，如多级开关量输入方式和模拟量给定方式，不少品牌的变频器还具备有总线通信接口。对于常规变频起升机构，大多采用开关量作为速度给定，不同在于是采用PLC还是继电逻辑控制。笔者认为，zui为简洁的系统结构应该是由PLC与变频器通信接口传送速度与控制指令，这样，控制柜内的连接线zui少。
　　3 双变频起升机构
　　3.1 开发双变频起升机构的必要性
　　
　　 到目前为止，变频器在塔机起升机构上的应用已经有了近10年的历史，从上述分析我们知道，变频调速技术会给塔机的运行带来较多的好处，而且国家的有关技术推广部门和行业协会也举办过多次变频技术应用的专题研讨会，但实际的采用量并不理想，业内只有少数有实力的主机厂推出过变频起升机构，这远不能与其他行业的应用程度相比。有理由认为，限制变频技术在行业内推广的主要原因是：
　　
　　 ⑴变频系统出现故障后的售后服务难度大，与常规系统相比，加大了塔机的停机维修时间，增加了用户的停工损失；
　　
　　 ⑵变频控制系统的成本要高于常规起升机构，增加了推广难度；
　　
　　 变频起升机构成本的60%左右是变频器，由于目前变频器的价格还较高，所以系统总成本要高于常规起升机构，但随着变频技术的不断普及和提高，变频器的价格还有较大的下降空间，而常规起升机构的成本基本已无潜力可挖。我们相信，在不久的将来，常规起升机构的成本将无优势可言。所以，行业技术工作者的当务之急是如何能设计出减轻售后服务压力的变频起升系统。
　　3.2 塔机起升机构的作业状况分析
　　
　　 衡量一台塔机的工作能力，不单是所配起升机构的zui大起重量这一参数，而更为重要的参数是工作力矩的大小，它是塔机安全运行的重要指标。正是由于力矩参数的限制，塔机是不可能在任何工作幅度下都能起吊zui大起重量的，而且从工地现场的实际运行情况来看，塔机起吊zui大重量的工况也是非常少的。
　　
　　 图6是中联公司生产的5613塔机的实际载荷特性及作业区域图，该塔机的zui大起重量为8t，zui大工作半径是56m。
根据图6对工作区域的定义可知：
　　 “轻载区”起重量小于4t，工作半径为56m，作业面积为9847m2；
　　 “重载区”起重量大于4t，工作半径为24m，作业面积为1808m2；
　　 “满载”区起重量等于8t，工作半径为14m，作业面积为615m2；
　　 其工作死区（小车zui小工作半径）约为3m，面积为28m2。
　　 经过计算得到：如果以4t的起吊重量作为轻重载的分界点，“重载区”的作业面积只占“轻载区”作业面积的18%。
而且在工地对塔机的实际运行情况统计，一台配备8t起升机构的塔机，真正起吊4t以上载荷的工况是非常少的。
　　 通过以上的分析有：
　　 塔机的起吊能力减半，80%以上的工况不受影响！
　　
　　 这就给我们提供了一个思路：如果把现有的由一台电动机和一台变频器控制的变频起升机构改变成功率减半的两台电动机和两台小变频器来共同驱动的话，即使有电机或者是变频器出现故障，塔机在绝大部分情况下还是可以照常工作的。这样就大大减少了主机厂的售后服务压力，对用户也十分有利。
　　
　　 图7和图8描述的变频起升机构就是根据以上的思路而设计产生的，它是一个具有全新控制结构的双变频起升机构。图7是该起升机构的控制原理图，图8是机械结构图，图中，电动机1和电动机2分别由变频器A和变频器B控制，两电动机的转子轴在减速机的输入级并联，两变频器由HC-DM控制器控制，两个电机可以同时工作，也可独立工作，同时工作时可起吊zui大的载荷，而独立工作时可起吊一半载荷。
　　
　　 对于塔机这种特殊的起重机，如果起升机构采用双变频起升方案就可以：
　　
　　 ⑴轻载时，单电机运行，可以达到节能和延长系统寿命的目的；
　　 ⑵有一变频器损坏时，可单电机工作，系统将自动断开故障回路，能做到对系统不停机维修，大大地减少了塔机生产厂的售后压力；
　　 ⑶有一台电动机出故障后，同样可采用单电机工作方式，在绝大部分工况下不影响塔机工作；
　　 ⑷重载下，双电机工作，以的变频性能满足塔机的操作要求；
　　 ⑸各功率部件变小，减少了维修成本与难度。
　　
　　 该系统已经过严格的检测和工业考核，性能达到了设计要求。我们以为，本文所讨论的双变频起升机构是为我国塔机行业在变频调速技术的应用上找到了一条可行的新思路，这对提升我国的塔机技术水平、提高系统的可维护性、降低主机厂的售后服务压力以及减小与国外同行的技术差距都有重要的积极意义。