AC80系列變頻器在塔式起重機上的應用方案
2011/3/7 16:31:00
一、前言
隨著工業(yè)生產對起重機調速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機調速方法使現(xiàn)場維護量大，調速系統(tǒng)的故障率高，而且調速系統(tǒng)的綜合技術指標差，已不能滿足工業(yè)生產的特殊要求。偉創(chuàng)AC80矢量變頻器應用于起重行業(yè)起得了不俗的成績，受到了業(yè)界的廣泛應用。本文介紹目前國內塔機起升機構幾種主要調速方式，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≤6t的小中型塔機提出了使用交流變頻調速方式，通過使用偉創(chuàng)AC80矢量變頻器實現(xiàn)，給出了完善的解決方案。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構的工業(yè)與民用建筑施工中建筑材料與構件的起重吊運。
二、目前國內起升機構的主要調速方式
起升機構是塔式起重機最重要的傳動機構，目前傳統(tǒng)調速方式下要求重載低速，輕載高速，調速范圍大；起升機構調速方式的優(yōu)劣直接影響整機性能。起升機構調速方式選擇原則有三個：首先要平穩(wěn)，沖擊??；其次要經濟和可靠；三是要便于維修。
1、 多速電機變極調速
4繩最大起重量≤6t的小中型塔機競爭激烈，成本控制嚴格，國內以多速電機變極調速為主，方案簡單，應用較廣，常采用4/8/32極多速電機實現(xiàn)。
2、 普通減速器加帶渦流制動的多速繞線轉子電機
多速電機驅動普通單速比減速器，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。這種調速方式構造簡單，易維護，可靠性高。目前已成功地解決了渦流制動繞線轉子電機散熱問題，大大提高了這種調速方式的可靠性。
目前國內8～12t起升機構大多采用這種調速方式，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3、變頻調速
變頻調速是當今最先進的交流調速方式。隨著國際變頻器價格的逐步下降，變頻調速技術應用越來越廣泛。國內塔機起升機構的應用已多年，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，能延長結構和傳動件的壽命，對鋼絲繩排繩和壽命大有裨益，同時提高了塔機的安全性。
三、變頻器在塔式起重機起升機構的方案
前期塔式起重機在起升機構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≤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，國產變頻器技術日益成熟，性能價格優(yōu)勢明顯，廣泛應用于中小塔機已經成為現(xiàn)實。
1、偉創(chuàng)變頻器簡介
AC80系列變頻器是深圳偉創(chuàng)電氣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V/F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：
A、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。
B、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架的沖擊，為用戶節(jié)省了維護的費用，運行穩(wěn)定。
C、高啟動轉矩
采用高性能磁通矢量控制模式，低頻段提供穩(wěn)定高輸出轉矩。
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。
3、參數(shù)計算
起重機變頻調速系統(tǒng)由主令控制器或電位器做為輸入給定，通過變頻調頻調速電控設備、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等交流變頻異步電動機起、制動、可逆運轉與調速。
設備選型參數(shù)：動滑輪2倍率，起升機構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/分,Pn=18.5kW。
A、最大起升重量的計算
Pn=2*π*Nn*Tn/60*1000
AC80系列變頻器是深圳偉創(chuàng)電氣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V/F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：
A、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。
B、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架的沖擊，為用戶節(jié)省了維護的費用，運行穩(wěn)定。
C、高啟動轉矩
采用高性能磁通矢量控制模式，低頻段提供穩(wěn)定高輸出轉矩。
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。
3、參數(shù)計算
起重機變頻調速系統(tǒng)由主令控制器或電位器做為輸入給定，通過變頻調頻調速電控設備、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等交流變頻異步電動機起、制動、可逆運轉與調速。
設備選型參數(shù)：動滑輪2倍率，起升機構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/分,Pn=18.5kW。
A、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。
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。
B、最大起升速度計算
Vmax=π*D*Nn/2*I=π*0.3*1450/2*31.5=21.7 m/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)調方法，使得實踐中并不明顯感覺速度減慢。
4、性能特點
采用先進的現(xiàn)代交流變頻調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，變頻調速方法具有如下顯著特點：
A、調速范圍寬，可實現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；
B、軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；
C、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；
D、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；
E、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；
F、專用負荷重量測控儀并配以相應軟件，起升速度可隨負
Vmax=π*D*Nn/2*I=π*0.3*1450/2*31.5=21.7 m/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)調方法，使得實踐中并不明顯感覺速度減慢。
4、性能特點
采用先進的現(xiàn)代交流變頻調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，變頻調速方法具有如下顯著特點：
A、調速范圍寬，可實現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；
B、軟啟動、軟停止的功能降低了機械傳動沖擊，可明顯改善鋼結構的承載性能，延長了起重機的使用壽命；
C、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；
D、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；
E、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；
F、專用負荷重量測控儀并配以相應軟件，起升速度可隨負
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