论文部分内容阅读
摘要: 本文阐述了塔机起升机构采用变频调控技术取代传统变速调速，选用合适变频器，实现塔机无极调速，提高塔机控制精度和系统的可靠性。进而实现了塔机的半自动化控制。
关键词:起升机构； 变频技术；变频器
Abstract: This paper describes the lifting mechanism in the tower crane using frequency control technology to replace the traditional transmission speed, selecting appropriate converter, realizing stepless speed regulation of tower crane tower crane, improve control accuracy and reliability of the system. To realize the semi-automatic control of tower crane.
Key words: lifting mechanism; frequency conversion technology; frequency converter
中圖分类号： TN77 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、引言
随着我国经济的快速发展，塔机的应用日益普遍需求量快速增长。全国塔机已达到10万台以上，现代科技的迅猛发展，变频调控技术在电力托动系统中得到广泛应用，采用变频调控技术取代老式变阻调速，实现塔机无机调速，提高了控制精度和系统的可靠性，进而实现了起重机的半自动化控制。现在变频技术的不断发展,不断地被人们认识,它以绝对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,可用于精确吊装;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。本文结合实际，谈谈在实际工作中变频器在塔式起重机起升机构的更新与应用。
二、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绝对优势可言。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。
三、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最大起重量这一参数，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最大起重量的，而且从工地现场的实际运行情况来看，塔机起吊最大重量的工况也是非常少的。
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。
四、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，建议最好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、技术支持力度、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完全一致。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即是电动机的额定电流，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。
五、变频器在塔式起重机起升机构的方案
塔式起重机在起升机构中应用变频技术以日本安川变频器为主，主要应用于中大塔机，同时4绳最大起重量小于等于6T的小中型塔机竞争激烈，成本控制严格，所以变频器应用极少。随着电力电子技术的发展，国产变频器技术日益成熟，价格优势明显，应用于中小塔机已经成为可能。
首先是系统采用开环或闭环控制的选择,作为一般的塔机起升机构拟采用开环控制方式,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。
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。由于起重机采用联动控制台控制,所以采用开关量作为速度给定,为做到系统的结构简洁,我们采用PLC与变频器通信接口传送速度与控制指令,这样,控制柜内的连接线最少。
第三是速度的给定:由于普通4极电机可在频率为25～75HZ范围长期运行,所以我们将几个档位分别确定为6HZ、20HZ、35HZ、50HZ、70HZ五个档位。其中一、二档作为低速就位档。
实际运行证明,固定塔式起重机采用变频控制方案,具有简单,可靠,平稳,高效,节能,保护功能齐全(过电流、过电压、欠压、接地、过热、短路),是自动化控制的理想选择。完美的替代的原有的传统控制模式,具有普遍的推广价值。
从改造后的运行情况来看,效果非常明显:
系统采用5段速变频启动,启动冲击小,可以缓启缓停。由于采用单电机工作,没有了两电机时的切换动作,电机启动时对变速齿轮箱的冲击大大减少。提升机的启动,加速,减速,制动等过程平稳快速,负载的波动小,操作灵活稳定。
(2)制动方面,没有了两电机相互之间的能耗制动,电量消耗减少,单电机的运行电流根据负载的大小决定,只有原系统的三分一电流。变频器采用反馈制动,对提升机无任何冲击,无需电机来释能,电机的放热减小,延长寿命。
(3)变频器拥有完善的电流、电压、力矩、转速、方向等检测记忆功能,这是原系统不具备的,技术人员可根据定期的勘查数据发现问题及时处理,解除安全隐患。
因此，根据塔式起重机使用的现状及未来的发展，我们需要探讨的问题是生产出经济实用、安全可靠的塔式起重机。特别是安全问题，随着人们安全意识的不断增强，对塔式起重机安全装置的重要性更加重视，积极开展对塔式起重机的改进及新技术的应用的理论研究势在必行，以促进塔式起重机生产的进一步改进，满足塔式起重机生产行业的发展及需求。
关键词:起升机构； 变频技术；变频器
Abstract: This paper describes the lifting mechanism in the tower crane using frequency control technology to replace the traditional transmission speed, selecting appropriate converter, realizing stepless speed regulation of tower crane tower crane, improve control accuracy and reliability of the system. To realize the semi-automatic control of tower crane.
Key words: lifting mechanism; frequency conversion technology; frequency converter
中圖分类号： TN77 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、引言
随着我国经济的快速发展，塔机的应用日益普遍需求量快速增长。全国塔机已达到10万台以上，现代科技的迅猛发展，变频调控技术在电力托动系统中得到广泛应用，采用变频调控技术取代老式变阻调速，实现塔机无机调速，提高了控制精度和系统的可靠性，进而实现了起重机的半自动化控制。现在变频技术的不断发展,不断地被人们认识,它以绝对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,可用于精确吊装;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。本文结合实际，谈谈在实际工作中变频器在塔式起重机起升机构的更新与应用。
二、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绝对优势可言。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。
三、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最大起重量这一参数，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最大起重量的，而且从工地现场的实际运行情况来看，塔机起吊最大重量的工况也是非常少的。
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。
四、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，建议最好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、技术支持力度、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完全一致。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即是电动机的额定电流，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。
五、变频器在塔式起重机起升机构的方案
塔式起重机在起升机构中应用变频技术以日本安川变频器为主，主要应用于中大塔机，同时4绳最大起重量小于等于6T的小中型塔机竞争激烈，成本控制严格，所以变频器应用极少。随着电力电子技术的发展，国产变频器技术日益成熟，价格优势明显，应用于中小塔机已经成为可能。
首先是系统采用开环或闭环控制的选择,作为一般的塔机起升机构拟采用开环控制方式,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。
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。由于起重机采用联动控制台控制,所以采用开关量作为速度给定,为做到系统的结构简洁,我们采用PLC与变频器通信接口传送速度与控制指令,这样,控制柜内的连接线最少。
第三是速度的给定:由于普通4极电机可在频率为25～75HZ范围长期运行,所以我们将几个档位分别确定为6HZ、20HZ、35HZ、50HZ、70HZ五个档位。其中一、二档作为低速就位档。
实际运行证明,固定塔式起重机采用变频控制方案,具有简单,可靠,平稳,高效,节能,保护功能齐全(过电流、过电压、欠压、接地、过热、短路),是自动化控制的理想选择。完美的替代的原有的传统控制模式,具有普遍的推广价值。
从改造后的运行情况来看,效果非常明显:
系统采用5段速变频启动,启动冲击小,可以缓启缓停。由于采用单电机工作,没有了两电机时的切换动作,电机启动时对变速齿轮箱的冲击大大减少。提升机的启动,加速,减速,制动等过程平稳快速,负载的波动小,操作灵活稳定。
(2)制动方面,没有了两电机相互之间的能耗制动,电量消耗减少,单电机的运行电流根据负载的大小决定,只有原系统的三分一电流。变频器采用反馈制动,对提升机无任何冲击,无需电机来释能,电机的放热减小,延长寿命。
(3)变频器拥有完善的电流、电压、力矩、转速、方向等检测记忆功能,这是原系统不具备的,技术人员可根据定期的勘查数据发现问题及时处理,解除安全隐患。
因此，根据塔式起重机使用的现状及未来的发展，我们需要探讨的问题是生产出经济实用、安全可靠的塔式起重机。特别是安全问题，随着人们安全意识的不断增强，对塔式起重机安全装置的重要性更加重视，积极开展对塔式起重机的改进及新技术的应用的理论研究势在必行，以促进塔式起重机生产的进一步改进，满足塔式起重机生产行业的发展及需求。