變頻技術在塔機起升機構上應用探討

一、概 述

隨著我國建筑業的不斷發展，建筑施工機械化水平的不斷提高，對塔機的制造質量和整機技術水平的要求也越來越高。塔機的各個傳動機構所采用的方式、控制系統的技術水平、用戶的可操作性和可維護性基本上就體現了整個塔機的技術水平和檔次。而在這幾個機構中，最為重要也是最具有技術代表性的是起升機構，它控制功率最大、調速范圍最寬、出故障后的維修難度也最大。而且該系統在變速過程所產生的機械沖擊的大小將直接影響塔機結構件的疲勞損傷程度。

為了改進其性能，國內各主機生產商在起升機構的調速控制技術上已花了許多工夫，得到了長足的進步。從整體上看，絕大多數采用的是傳統的單電機傳動，以帶渦流制動器的繞線式電機和多極電機調速的方案為主。這些傳統的調速方案，要想達到較寬的調速范圍，其途徑不外乎設計制造大功率、寬調速范圍的非標電機，如：采用帶渦流制動器的多極繞線式電機或制作大極差的多速電機等。由于塔機起升機構所需要的較高調速要求不但給電機生產廠商帶來了較多的質量控制難題，而且也增加了控制回路和電機的制造成本，降低了系統可靠性。更有甚者，隨著用戶對塔機的起吊能力要求越來越大，傳統控制方式已經越來越感覺到力不從心，不論是上述技術的可實現性，其制造成本以及使用性能等方面也存在一些問題。所以，我們不得不尋求更理想的新的調速控制技術。

鑒于以上的原因，國內外的專業生產商在塔機的起升調速方式上進行了較多的新技術應用嘗試，比如：采用多極電機的調壓調速，引進變頻調速等。逐漸地，隨著變頻技術的不斷發展，不斷地被人們認識，它以絕對的優勢超越了其他的任何調速方案，其優點數不勝數，如：零速抱閘，對制動器無磨損;任意低的就位速度，可用于精確吊裝;速度的平滑過渡，對機構和結構件無沖擊，提高了塔機的運行安全性;極低的起動電流，減輕了用戶電網擴容的負擔;幾乎任意寬的調速范圍，提高了塔機的工作效率;節能的調速方式，減少了系統運行能耗;單速的鼠籠電動機保證了機構的運行可靠性厖。正是因為這些明顯的特點和優勢，國外的塔機制造商所推出的新一代塔機的起升機構也大多采用變頻調速方案，如POTAIN，LIEBHERR等世界著名公司。同時我們認為，隨著變頻器價格的不斷降低，可靠性不斷提高，變頻技術一定能在塔機上得到廣泛應用，這將對產品的安全運行和減少運行能耗都有重要的意義。為了普及變頻技術，加深對變頻調速方案的了解，本文將對變頻技術在塔機起升機構上的應用作一探討。

二、常規變頻起升機構

1.結構介紹

變頻調速技術在塔機各傳動機構的應用在我國已經有近10年的時間，雖然取得了一些成功的應用經驗，并且也有不少的變頻起升機構現在正在工地正常運行，但與其他行業相比，變頻調速技術在塔機上的應用還遠遠未達到應有的程度，其中有成本的原因，也有技術的原因。

國內和國外目前所采用的典型方案，從技術上來講，大同小異，不同點在于：

(1)變頻器的品牌不同，其采用的控制回路不同;

(2)系統是開環(不帶PG)或者是閉環(帶PG)

(3)機械結構的形式的不一樣：L型布置、п型布置或一字型布置等;

(4)減速機的類型不一樣，如：圓柱齒輪減速機或行星減速機;是定速比或可變速比等。

就傳動控制技術而言，以上所述差異并未涉及控制方式的改變，均為采用一臺變頻器控制一臺電動機進行調速的典型模式，也可稱其為常規變頻起升機構。在所有的這些常規變頻機構中， LIEBHERR公司在EC-H型塔機上裝配的變頻起升機構的特點最為突出，它采用250V電動機和與之匹配的變頻器，配置可變速比的減速機，L型布置。該方案具備較好的起升速度特性，其缺點是系統成本高，而且部件通用性差。

2.常規變頻起升機構的設計要點

(1)電動機極數和功率的校核

當起升機構的基本參數(如：最大起重量、最高工作速度等)給定后，就要對電動機的極數和功率進行確定和計算，其設計要點是：

a)電動機輸出轉速應小于3000轉/分(由減速機輸入級的工作轉速限制);

b)系統最高工作頻率應小于100Hz(頻率越高，電動機的損耗功率就越大，將破壞恒功率特性，起吊能力大幅度降低而無實際應用價值);

c)電動機額定轉矩用于校核最大起重量(考慮總傳動比、效率、倍率等);

d)電動機的額定功率用于校核高速時的起重量(考慮總傳動比、效率、倍率等，如果頻率接近100Hz，應考慮有效功率降低10～15%)。

在選擇電機功率時，根據以上的條件就能基本確定減速機的減速比與電動機功率和極數。

(2)電控系統的設計

a)變頻器的選取

當系統的電動機確定后，就可著手進行控制系統的設計。首先是變頻器的選型。現在市場上的國內外變頻器品牌不少，控制水平和可靠性差別較大，技術上大體可分為V/F控制、矢量控制和DTC直接轉矩控制三種。用于塔機的起升機構，建議最好選用具有矢量控制功能或者是具有DTC直接轉矩控制功能的變頻器，這樣的變頻器品牌較多，設計者可根據自己的熟悉程度、技術支持力度、其他行業廠的使用情況等因素來選擇。

由于變頻器品牌的不同，相同功率下變頻器的過載能力和額定電流值也不完全一致。所以，選擇變頻器容量時，不單要看額定功率的大小，還要校核額定工作電流是否大于或者等于電動機的額定電流，一般的經驗是選擇變頻器的功率大于電動機功率10～30%左右。

b)能耗電阻的選取

作為起重用變頻系統，其設計的重點在于電動機處于回饋制動狀態下的系統可靠性，因為這種系統出故障往往都發生在重物下降時的工況，如溜鉤、超速、過壓等。也就是說重物下降工況時變頻系統的性能好壞將直接影響整個起升機構能否安全運行。這就要求設計人員清楚地了解變頻傳動系統的回饋工作過程，才能做到心中有數。

大部分變頻器的產品說明中，對如何選擇能耗電阻的電阻值和功率并沒有非常清楚的描述，而且往往按其推薦的標準配置并不能完全滿足起重工況的要求，同時有關這方面論述的文章也不多見，所以在變頻起重控制系統的設計中，電阻參數選擇顯得有些混亂。本文將對電機工作在回饋制動狀態時系統的工作機理進行定性的分析，讀者可以通過這些分析進一步得到有關電阻參數的計算方法。

①電阻值的選取

基本可以按變頻器樣本給出的參數確定，基本原則是，考慮直流回路的電壓(重物下降工況時將超過600VDC)情況下，電阻上的電流不超過變頻器的額定電流。

②電阻功率的選取

要準確地選擇電阻的功率是非常重要的，若選擇太大，會增加系統成本，太小就會造成運行的不可靠。但要合理準確地選擇能耗電阻的功率是一個較煩瑣的事，影響該參數的因素較多，如：電機功率大小、減速機反向效率、下降運行時間長短、負加速度的大小、減速運行時間以及傳動部件的轉動慣量等都會影響到電阻功率的選取。所以，我們得首先從分析系統在下降工況的工作過程，從而得到電阻功率的確定方法。

重物的下降功率是經“傳動部件”、“電動機”(此時處于發電狀態)、變頻器內的反向整流回路再由制動單元而傳遞到“電阻R”上的，如果傳動環節的反向效率越低，電阻上消耗的功率就越小。

于是有：

“電阻R”發熱消耗功率+傳遞路徑上消耗的功率=重物下降的功率

進一步還可得到電阻消耗功率P的表達式：

在勻速下降時穩態功耗：

Pe = ωm×Me×δ ①

式中：δ是傳動系統的反向效率

減速時的峰值功耗：

Pm = Pe+δ×J×(ωm-ωd)/Ta ②

式中：J是傳動系統的轉動慣量

結合式①和式②有：

當起升機構運行在額定功率狀態并高速下降時，如果此時給出減速指令，在減速的初期，電阻的消耗功率將達到最大值;

過短的減速時間，將造成在電阻上的消耗功率峰值上升;

系統的轉動慣量和載荷越大，減速時的制動轉矩就越高，也會造成在電阻上消耗功率的峰值上升;

當傳動系統的機械效率越低，電阻消耗功率也越低。

可見，要準確地計算電阻消耗功率，就必須知道傳動系統中各個部件的轉動慣量、減速點對應的起始工作速度和結束工作速度、減速過程的時間長短以及系統載荷大小等。要確定這些參數的精確值，在系統設計初期是有一定難度的，其一，在產品未完成前，無法精確測量或計算各傳動部件的轉動慣量;其二，在實際使用中，系統的減速特征是會隨現場的需要而改變的。所以大多情況下，電阻功率都未作嚴格計算。經驗的取值一般是電機功率的40～70%之間，減速機的反向效率較低時，可以選用較小的電阻功率。

只要充分了解了變頻系統的減速過程的工作狀態，就可以根據所設計系統的實際工作表現來修正電阻參數。

c)控制方案的確定

首先是系統采用開環或閉環控制的選擇，筆者認為，一般的塔機起升機構可以采用開環控制方式，那些對速度控制精度要求較高的情況才要考慮閉環控制。如果要構成閉環系統，一定要有PG(編碼器)、檢測回路和連接線。這些環節加大了安裝的復雜性;增加了系統成本;更重要的是降低了系統的可靠性，因為在閉環系統中，反饋回路任何細小的差錯可能造成系統紊亂。

其次是速度給定方式的選取，絕大多數的變頻器都有多種速度輸入方式，如多級開關量輸入方式和模擬量給定方式，不少品牌的變頻器還具備有總線通信接口。對于常規變頻起升機構，大多采用開關量作為速度給定，不同在于是采用PLC還是繼電邏輯控制。筆者認為，最為簡潔的系統結構應該是由PLC與變頻器通信接口傳送速度與控制指令，這樣，控制柜內的連接線最少。

三、雙變頻起升機構

1.開發雙變頻起升機構的必要性

到目前為止，變頻器在塔機起升機構上的應用已經有了近10年的歷史，從上述分析我們知道，變頻調速技術會給塔機的運行帶來較多的好處，而且國家的有關技術推廣部門和行業協會也舉辦過多次變頻技術應用的專題研討會，但實際的采用量并不理想，業內只有少數有實力的主機廠推出過變頻起升機構，這遠不能與其他行業的應用程度相比。有理由認為，限制變頻技術在行業內推廣的主要原因是：

變頻系統出現故障后的售后服務難度大，與常規系統相比，加大了塔機的停機維修時間，增加了用戶的停工損失;

變頻控制系統的成本要高于常規起升機構，增加了推廣難度;

變頻起升機構成本的60%左右是變頻器，由于目前變頻器的價格還較高，所以系統總成本要高于常規起升機構，但隨著變頻技術的不斷普及和提高，變頻器的價格還有較大的下降空間，而常規起升機構的成本基本已無潛力可挖。我們相信，在不久的將來，常規起升機構的成本將無絕對優勢可言。所以，行業技術工作者的當務之急是如何能設計出減輕售后服務壓力的變頻起升系統。

2.塔機起升機構的作業狀況分析

衡量一臺塔機的工作能力，不單是所配起升機構的最大起重量這一參數，而更為重要的參數是工作力矩的大小，它是塔機安全運行的重要指標。正是由于力矩參數的限制，塔機是不可能在任何工作幅度下都能起吊最大起重量的，而且從工地現場的實際運行情況來看，塔機起吊最大重量的工況也是非常少的。

中聯公司生產的5613塔機，該塔機的最大起重量為8t，最大工作半徑是56m。

“輕載區”起重量小于4t，工作半徑為56m，作業面積為9847m2;

“重載區”起重量大于4t，工作半徑為24m，作業面積為1808m2;

“滿載”區起重量等于8t，工作半徑為14m，作業面積為615m2;

其工作死區(小車最小工作半徑)約為3m，面積為28m2。

經過計算得到：如果以4t的起吊重量作為輕重載的分界點，“重載區”的作業面積只占“輕載區”作業面積的18%。

而且在工地對塔機的實際運行情況統計，一臺配備8t起升機構的塔機，真正起吊4t以上載荷的工況是非常少的。

通過以上的分析有：

塔機的起吊能力減半，80%以上的工況不受影響。

這就給我們提供了一個思路：如果把現有的由一臺電動機和一臺變頻器控制的變頻起升機構改變成功率減半的兩臺電動機和兩臺小變頻器來共同驅動的話，即使有電機或者是變頻器出現故障，塔機在絕大部分情況下還是可以照常工作的。這樣就大大減少了主機廠的售后服務壓力，對用戶也十分有利。

對于塔機這種特殊的起重機，如果起升機構采用雙變頻起升方案就可以：

輕載時，單電機運行，可以達到節能和延長系統壽命的目的;

有一變頻器損壞時，可單電機工作，系統將自動斷開故障回路，能做到對系統不停機維修，大大地減少了塔機生產廠的售后壓力;

有一臺電動機出故障后，同樣可采用單電機工作方式，在絕大部分工況下不影響塔機工作;

重載下，雙電機工作，以完美的變頻性能滿足塔機的操作要求;

各功率部件變小，減少了維修成本與難度。

該系統已經過嚴格的檢測和工業考核，性能達到了設計要求。我們以為，本文所討論的雙變頻起升機構是為我國塔機行業在變頻調速技術的應用上找到了一條可行的新思路，這對提升我國的塔機技術水平、提高系統的可維護性、降低主機廠的售后服務壓力以及減小與國外同行的技術差距都有重要的積極意義。