变频器在起重机系统中的运用

变频器在起重机系统中的运用变频器在起重机系统中的运用 一 概述一 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 最为重要也是最具有技术代表性 的是起升机构 它控制功率最大 调速范围最宽 出故障后的 维修难度也最大 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 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 界著名公司 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 二 常规变频起升机构二 常规变频起升机构 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 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 1 变频器的品牌不同 其采用的控制回路不同 2 系统是开环 不带 pg 或者是闭环 带 pg 3 机械结构的形式的不一样 l 型布置 型布置或一 字型布置等 4 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 点最为突出 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 常规变频起升机构的设计要点 1 电动机极数和功率的校核 当起升机构的基本参数 如 最大起重量 最高工作速度 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 系统最高工作频率应小于 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最大起重量 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 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 2 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 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 置并不能完全满足起重工况的要求 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 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 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 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 m me 式中 是传动系统的反向效率 减速时的峰值功耗 pm pe j m d ta 式中 j 是传动系统的转动惯量 结合式 和式 有 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最大值 过短的减速时间 将造成在电阻上的消耗功率峰值上升 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 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 些参数的精确值 在系统设计初期是有一定难度的 其一 在 产品未完成前 无法精确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 最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 接线最少 三 双变频起升机构三 双变频起升机构 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 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 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 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 中联公司生产的 5613 塔机 该塔机的最大起重量为 8t 最 大工作半径是 56m 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 小车最小工作半径 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 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 轻载时 单电机运行 可以达到节能和延长系统寿命的目 的 有一变频器损坏时 可单电机工作 系统将自动断开