AC80系列變頻器在塔式起重機(jī)上的應(yīng)用方案
2011/3/7 16:31:00
一、前言
隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì)起重機(jī)調(diào)速性能要求的不斷提高，常用傳統(tǒng)的起重機(jī)調(diào)速方法使現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量大，調(diào)速系統(tǒng)的故障率高，而且調(diào)速系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)差，已不能滿足工業(yè)生產(chǎn)的特殊要求。偉創(chuàng)AC80矢量變頻器應(yīng)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(yīng)用。本文介紹目前國內(nèi)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)幾種主要調(diào)速方式，指出了各種方式的優(yōu)劣和適用范圍；針對(duì)4繩最大起重量≤6t的小中型塔機(jī)提出了使用交流變頻調(diào)速方式，通過使用偉創(chuàng)AC80矢量變頻器實(shí)現(xiàn)，給出了完善的解決方案。塔式起重機(jī)針對(duì)建筑施工中的模板工藝而進(jìn)行研發(fā)，適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工業(yè)與民用建筑施工中建筑材料與構(gòu)件的起重吊運(yùn)。
二、目前國內(nèi)起升機(jī)構(gòu)的主要調(diào)速方式
起升機(jī)構(gòu)是塔式起重機(jī)最重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前傳統(tǒng)調(diào)速方式下要求重載低速，輕載高速，調(diào)速范圍大；起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方式的優(yōu)劣直接影響整機(jī)性能。起升機(jī)構(gòu)調(diào)速方式選擇原則有三個(gè)：首先要平穩(wěn)，沖擊??；其次要經(jīng)濟(jì)和可靠；三是要便于維修。
1、 多速電機(jī)變極調(diào)速
4繩最大起重量≤6t的小中型塔機(jī)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成本控制嚴(yán)格，國內(nèi)以多速電機(jī)變極調(diào)速為主，方案簡(jiǎn)單，應(yīng)用較廣，常采用4/8/32極多速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。
2、 普通減速器加帶渦流制動(dòng)的多速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)
多速電機(jī)驅(qū)動(dòng)普通單速比減速器，相對(duì)于多速電機(jī)換檔沖擊大的缺點(diǎn)，帶渦流制動(dòng)的多速繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)可串電阻獲取較軟的M-n特性，起制動(dòng)和檔位切換較平穩(wěn)，有慢就位速度，功率可以比鼠籠電機(jī)用得大。這種調(diào)速方式構(gòu)造簡(jiǎn)單，易維護(hù)，可靠性高。目前已成功地解決了渦流制動(dòng)繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)散熱問題，大大提高了這種調(diào)速方式的可靠性。
目前國內(nèi)8～12t起升機(jī)構(gòu)大多采用這種調(diào)速方式，但是這種電機(jī)起制動(dòng)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(fù)雜，16t以上的大噸位起3、變頻調(diào)速
變頻調(diào)速是當(dāng)今最先進(jìn)的交流調(diào)速方式。隨著國際變頻器價(jià)格的逐步下降，變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的應(yīng)用已多年，效果良好，但使用面不廣。它的優(yōu)點(diǎn)是慢就位速度可長時(shí)間運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)無沖擊，能延長結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)件的壽命，對(duì)鋼絲繩排繩和壽命大有裨益，同時(shí)提高了塔機(jī)的安全性。
三、變頻器在塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的方案
前期塔式起重機(jī)在起升機(jī)構(gòu)中應(yīng)用變頻技術(shù)以日本安川變頻器為主，主要應(yīng)用于中大塔機(jī)，同時(shí)4繩最大起重量≤6t的小中型塔機(jī)競(jìng)爭(zhēng)激烈，成本控制嚴(yán)格，所以變頻器應(yīng)用極少。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國產(chǎn)變頻器技術(shù)日益成熟，性能價(jià)格優(yōu)勢(shì)明顯，廣泛應(yīng)用于中小塔機(jī)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。
1、偉創(chuàng)變頻器簡(jiǎn)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(gè)系列產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)（從而增加額外的制造、銷售、使用、維護(hù)成本），而是在客戶需求合理細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過單系列產(chǎn)品的多模塊組合，創(chuàng)建一個(gè)客戶化量身定做的平臺(tái)。是國內(nèi)少有的幾家真正擁有磁通矢量技術(shù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，能保證在負(fù)載頻繁波動(dòng)的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點(diǎn)：
A、可靠性
完善的可靠性設(shè)計(jì)方案：如冗余設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級(jí)；專業(yè)化的制作平臺(tái)，從而保證整機(jī)的可靠性。
B、軟啟動(dòng)
相比工頻起動(dòng)方式，采用變頻器控制可以減小機(jī)械部分震動(dòng)和構(gòu)架的沖擊，為用戶節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用，運(yùn)行穩(wěn)定。
C、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。
2、工藝介紹
中小型塔式起重機(jī)典型規(guī)格QTZ315塔式起重機(jī)，應(yīng)用廣泛；2倍率主要技術(shù)指標(biāo)為：最大起升重量3t，起升速度52/26/5.5m/min，起升機(jī)構(gòu)15/15/5.5kW的4/8/32多極電機(jī)，減速機(jī)速比I=12.5，滾筒直徑300mm。
3、參數(shù)計(jì)算
起重機(jī)變頻調(diào)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(diào)頻調(diào)速電控設(shè)備、荷重測(cè)控儀、限位開關(guān)、制動(dòng)器等配合使用，來控制起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)等交流變頻異步電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)、可逆運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)速。
設(shè)備選型參數(shù)：動(dòng)滑輪2倍率，起升機(jī)構(gòu)18.5kW的4極異步鼠籠電機(jī)，減速機(jī)速比I=31.5；滾筒直徑300mm，即I=31.5,R=D/2=150mm=0.15m,Nn=1450轉(zhuǎn)/分,Pn=18.5kW。
A、最大起升重量的計(jì)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(gè)系列產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)（從而增加額外的制造、銷售、使用、維護(hù)成本），而是在客戶需求合理細(xì)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通過單系列產(chǎn)品的多模塊組合，創(chuàng)建一個(gè)客戶化量身定做的平臺(tái)。是國內(nèi)少有的幾家真正擁有磁通矢量技術(shù)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)，能保證在負(fù)載頻繁波動(dòng)的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點(diǎn)：
A、可靠性
完善的可靠性設(shè)計(jì)方案：如冗余設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級(jí)；專業(yè)化的制作平臺(tái)，從而保證整機(jī)的可靠性。
B、軟啟動(dòng)
相比工頻起動(dòng)方式，采用變頻器控制可以減小機(jī)械部分震動(dòng)和構(gòu)架的沖擊，為用戶節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用，運(yùn)行穩(wěn)定。
C、高啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩。
2、工藝介紹
中小型塔式起重機(jī)典型規(guī)格QTZ315塔式起重機(jī)，應(yīng)用廣泛；2倍率主要技術(shù)指標(biāo)為：最大起升重量3t，起升速度52/26/5.5m/min，起升機(jī)構(gòu)15/15/5.5kW的4/8/32多極電機(jī)，減速機(jī)速比I=12.5，滾筒直徑300mm。
3、參數(shù)計(jì)算
起重機(jī)變頻調(diào)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(diào)頻調(diào)速電控設(shè)備、荷重測(cè)控儀、限位開關(guān)、制動(dòng)器等配合使用，來控制起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)等交流變頻異步電動(dòng)機(jī)起、制動(dòng)、可逆運(yùn)轉(zhuǎn)與調(diào)速。
設(shè)備選型參數(shù)：動(dòng)滑輪2倍率，起升機(jī)構(gòu)18.5kW的4極異步鼠籠電機(jī)，減速機(jī)速比I=31.5；滾筒直徑300mm，即I=31.5,R=D/2=150mm=0.15m,Nn=1450轉(zhuǎn)/分,Pn=18.5kW。
A、最大起升重量的計(jì)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(dòng)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(xiǎn)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(dòng)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(xiǎn)系數(shù)，基本符合要求。
B、最大起升速度計(jì)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(jī)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(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)硬件成本估算到最優(yōu)化；通過縮短啟動(dòng)和就位時(shí)間，空鉤高于50Hz運(yùn)行等多種協(xié)調(diào)方法，使得實(shí)踐中并不明顯感覺速度減慢。
4、性能特點(diǎn)
采用先進(jìn)的現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)塔式起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使起重機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運(yùn)行效率，改善超負(fù)荷作業(yè)，消除起制動(dòng)沖擊，減少電氣維護(hù)，降低電能消耗，提高功缺因數(shù)等均可取得良好實(shí)效。同時(shí)還具有過電流、過電壓、欠電壓和輸入缺相保護(hù)，以及變頻器超溫、超載、超速、制動(dòng)單元過熱、I/O故障保護(hù)、電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)等，變頻調(diào)速方法具有如下顯著特點(diǎn)：
A、調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；
B、軟啟動(dòng)、軟停止的功能降低了機(jī)械傳動(dòng)沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長了起重機(jī)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(fù)雜問題，不僅降低了系統(tǒng)故障機(jī)率，而且易維護(hù)；
D、電動(dòng)機(jī)在零速時(shí)，能全力矩輸出，即使制動(dòng)器松動(dòng)或失靈時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠；
E、具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)溜鉤并真正實(shí)現(xiàn)“零速交叉”功能；
F、專用負(fù)荷重量測(cè)控儀并配以相應(yīng)軟件，起升速度可隨負(fù)
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(jī)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(chǎng)上有競(jìng)爭(zhēng)力，設(shè)計(jì)時(shí)相關(guān)硬件成本估算到最優(yōu)化；通過縮短啟動(dòng)和就位時(shí)間，空鉤高于50Hz運(yùn)行等多種協(xié)調(diào)方法，使得實(shí)踐中并不明顯感覺速度減慢。
4、性能特點(diǎn)
采用先進(jìn)的現(xiàn)代交流變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)塔式起重機(jī)電力拖動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，使起重機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，提高運(yùn)行效率，改善超負(fù)荷作業(yè)，消除起制動(dòng)沖擊，減少電氣維護(hù)，降低電能消耗，提高功缺因數(shù)等均可取得良好實(shí)效。同時(shí)還具有過電流、過電壓、欠電壓和輸入缺相保護(hù)，以及變頻器超溫、超載、超速、制動(dòng)單元過熱、I/O故障保護(hù)、電動(dòng)機(jī)故障保護(hù)等，變頻調(diào)速方法具有如下顯著特點(diǎn)：
A、調(diào)速范圍寬，可實(shí)現(xiàn)有精確控制定位要求的作業(yè)；
B、軟啟動(dòng)、軟停止的功能降低了機(jī)械傳動(dòng)沖擊，可明顯改善鋼結(jié)構(gòu)的承載性能，延長了起重機(jī)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(fù)雜問題，不僅降低了系統(tǒng)故障機(jī)率，而且易維護(hù)；
D、電動(dòng)機(jī)在零速時(shí)，能全力矩輸出，即使制動(dòng)器松動(dòng)或失靈時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)重物下滑，確保系統(tǒng)安全可靠；
E、具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，不會(huì)出現(xiàn)溜鉤并真正實(shí)現(xiàn)“零速交叉”功能；
F、專用負(fù)荷重量測(cè)控儀并配以相應(yīng)軟件，起升速度可隨負(fù)
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