塔式起重机起升机构变频控制系统分析

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"绪论 1\o"CurrentDocument"课题背景 1\o"CurrentDocument"研究的意义 2\o"CurrentDocument"国内外发展现状 3\o"CurrentDocument"课题研究将完成的内容 4\o"CurrentDocument"2塔式起重机变频调速技术 5\o"CurrentDocument"塔式起重机概述 5\o"CurrentDocument"传统的调速方式 7\o"CurrentDocument"存在的问题 9\o"CurrentDocument"解决问题的思路 12\o"CurrentDocument"变频调速技术 13\o"CurrentDocument"变频器的工作原理 13\o"CurrentDocument"变频器的构成 14\o"CurrentDocument"变频器的控制方式 15\o"CurrentDocument"变频器控制功能 16\o"CurrentDocument"本章小结 18\o"CurrentDocument"3塔式起重机变频调速总体方案 19\o"CurrentDocument"电源系统 20\o"CurrentDocument"变幅机构变频控制 21\o"CurrentDocument"变幅机构负载特性 21\o"CurrentDocument"变幅机构变频控制方案 21\o"CurrentDocument"回转机构变频控制 23\o"CurrentDocument"回转机构负载特性 23\o"CurrentDocument"回转机构变频控制方案 23\o"CurrentDocument"本章小结 25\o"CurrentDocument"4起升机构变频控制 26\o"CurrentDocument"起升机构 26\o"CurrentDocument"起升机构的结构 26\o"CurrentDocument"起升机构的负载特性 27\o"CurrentDocument"变频控制方案设计 27\o"CurrentDocument"起升机构变频调速机械特性 28\o"CurrentDocument"变频器控制方案选择 29\o"CurrentDocument"控制器件选型 31\o"CurrentDocument"制动方式选择 32\o"CurrentDocument"起升变频器主要参数设置 32\o"CurrentDocument"报警电路 35\o"CurrentDocument"PLC设置及控制程序流程 35\o"CurrentDocument"本章小结 36\o"CurrentDocument"5应用效果分析 38\o"CurrentDocument"仿真结果与分析 38\o"CurrentDocument"应用效果分析 39\o"CurrentDocument"本章小结 40\o"CurrentDocument"6 结论 41\o"CurrentDocument"致谢 42\o"CurrentDocument"参考文献 431绪论课题背景塔式起重机是在工业与民用建筑施工中•完成建筑工程所需材料,设备'工器具等吊装工作的主要设备。能有效降低施工作业人员的劳动强度，为施工企业节省人力资源成本•提高施工质量,加快施工进度。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。塔式起重机生产制造企业的竞争也越来越激烈，采用新技术提高塔式起重机的产品性能,以占领更多市场•提高企业核心竞争力，成为越来越多企业发展的方向。塔式起重机生产制造在我国已有50多年的发展里程。随着近几年我国城镇化建设加快•国家大力推进基础设施的改进，塔式起重机生产制造得到前所未有历史机遇，生产规模得到迅速的发展。目前全国有400多家塔式起重机生产厂家,年产塔式起重机总计约30000台，以80吨米以下的中小吨位塔式起重机为主。塔式起重机在50多年发展历程中,其技术水平的变化不大。运动机构的控制技术普遍采用传统改变电机对数闺、绕线电机转子串电阻、带涡轮制动器调速等方式进行调速口。这些调速方式存在很多缺点：(1)机构调速换档冲击大，调速范围窄，就位速度过高，运动轨迹容易失控⑶;(2)机械制动对塔式起重机机械结构冲击大，扭转严重、机械疲劳损坏频繁；(3)电动机起制动和换档峰值电流大,电器元件故障率高,维修成本高⑷;(4)高性能的的减速器和专用电动机制造复杂制造成本高；(5)电气控制系统线路复杂，控制器件数量大；这些问题给塔式起重机的用户、生产制造商带来了很多可靠性•安全性麻烦，甚至是机毁人亡的重大安全事故。"安全第一，预防为主"，一直以来，党和国家就高度重视生产的安全问题，而塔式起重机是被特种设备监管的特种设备,对安全性而言就具有更为重要的意义。改进塔式起重机机构的调速技术•已引起越来越多制造企业的关注，塔式起重机机构的调速性能技术水平,也成为施工企业购买塔式起重机设备的关心的重点。塔式起重机几个重要的运动机构中，起升机构调速是确定塔式起重机的整机调速性能的核心机构。为了提高塔式起重机调速性能•很多塔式起重机生产厂家对起升机构进行了大量研究,但没有实质性的进展。究其原因，主要是他们改变调速性能的方向都有一个共同点,就是都朝着调速的动力元件三相交流电动机的方向开展研究。研制出很多大功率、宽调速范围的非标电机。将塔式起重机机构调速可靠性问题转移成电动机、减速器的性能'质量问题。这种方法,在应用上有很大的局限性♦技术复杂、成本高、调速范围和调速性能虽有提高,但并没有实质性的提升。多年的实践证明•依靠改变电动机结构的方法不能改变调速的现状•必须寻求更有效的调速方法。塔式起重机的应用也愈来愈广泛，已成为建筑施工中的主要水平运输和垂直运输机械。同时，随着施工管理水平的提高,对施工现场的质量，进度成本，安全的要求也越来越高，从而对建筑施工机械化水平提出更高的要求•进而对塔式起重机的使用可靠性'安全性和高效率等也提出更高的要求。改善塔式起重机控制水平提高塔式起重机档次已是势在必行。我公司作为一个机械制造企业•在市场竞争越来越激烈•尤其在当前材料成本飞涨的大环境下,公司面临着严峻的考验与挑战,提高产品质量就是提高产品的竞争力，就是提高公司的战斗力•为了提高塔机起升调速系统的性能,同时又尽可能不加大成本。结合市场需求以及用户的建议,对我企业塔式起重机的起升调速系统的性能作出分析研究，以便为塔机电控系统的设计，选型提供更加清晰，明确思路♦进而提高产品性能•提高产品的竞争力,赢得市场。研究的意义1)提高可靠性变频调速系统的电路简单，接线简单,提高塔式起重机安装和操作的方便性。②PLC和变频器等可靠性高,系统故障率低，维护简单。2)安全性方面变频控制系统,因为频率连续可调•调速过程几乎可以平滑过渡,基频以下为恒转矩调速，转矩无变化。调速动态性能好，机械冲击小。实现无级调速。调速范围宽。3)经济性方面降低电动机启动电流,减小电网冲击•降低对电缆的要求,降低总线配电容量；延长钢丝绳、制动器等容易损耗的物品寿命延长,减少更换次数；③节约能源；延长钢结构寿命延长>延长塔式起重机整机的寿命•提高设备的使用价值；变频控制塔式起重机具有以上诸多优点•进行积极推广使用，一定能让企业在竞争中取得优势,取得经济、安全效益以及良好的社会效益。国内外发展现状随着塔式起重机的不断发展，塔式起重机的调速系统也得到了发展。其调速方式主要分为改变电动机板对数调速、涡流制动器调速、转子电路串电阻调速和串级调速，上世纪末,塔式起重机随着变频技术的发展开始采用交流变频调速技术网。改变电动机旋转磁场的磁极对数即为改变电动机板对数调速•电动机的调速就是通过电动机的同步转速发生变化而实现。也即通过改变电动机定子绕组的连接实现•操作设备简单是这种方法的主要优点。但这种方法只适用于不要求平滑调速的场合。涡流制动器调速系统最早出现在西欧各国•经过几十年的不断探索'应用和改进•涡流制动器调速系统形成了完整的系列配套能力，其性能稳定，生产成本不断下降。但由于需要增装涡流制动器在电动机后面,因此需要较大的安装空间，尤其是将它应用在起升机构时,将大大增加起升机构设备布置的难度。此外・该系统的调速范围较小•一般在±10%~±30%的电动机额定速度；同时,由于涡流制动器是一个持续发热设备,致使其不能长期连续工作,所以该系统将受到一定限制的应用。虽然该系统存在诸多缺点，但由于其成本较低，所以市场空间⑹的潜力还是存在的。可控硅交流定子调压调速系统最早由日本开发利用。日本作为二次世界大战的战败国,经济发展相对较晚,在"白手起家"的情况下,为了获取竞争优势，必然想寻求一种优于涡流制动器调速系统的开发利用方案；此外，客观上，由于电子技术的迅速发展，可控硅功率元件的性能得以不断改善、成本不断持续下降■而且在设计、使用上有较大的灵活性,所以日本率先开发并利用可控硅交流定子调压调速系统，其中日本的安川电机公司已发展一系列产品VS—390，功率范围为2.2~200KWS。我国的情况基本上类似于日本•自从1960年第一个硅整流元件问世以来•可控硅和硅整流技术有了长足发展，但由于在系统设计、制造工艺、元器件质量、抗干扰能力及措施'技术培训'客户服务等方面还存在一定的问题，没能通过深入细致的研究工作加以改善和解决。因此,起重机生产厂和使用单位对"可控硅"总是敬而远之，导致这一新技术的发展和推广应用网遇到了瓶颈。20世纪80年代以后•由建设部长沙建筑机械研究所和苏州电气控制设备厂共同研制开发的KJT型可控硅交流调压调速装置该装置很好地解决了我国在高层建筑施工用塔式起重机提升时的调速问题,使我国的起重机定子交流调压调速电控设备进入了批量专业化生产的崭新时期。从而弥补了我国在可控硅交流定子调压调速控制系统方面的空白网•可控硅交流定子调压调速系统的主要优点在于：一是调速比大,转速变化率5=5%时为1:10-20•可得到极低速度；二是体积小,占用空间较少；三是投资较少，为企事业单位节约资金；四是可频繁起制动,并且控制简单、直观（速度随操作手柄角度变化），而且反映速度快■过度特性好•可靠性高，维修方便•其缺点是：低速时效率较低，不能长期低速运行,低速开环控制时特性较软,转子电阻参数需合理匹配。晶闸管定子调压调速技术早在上世纪60年代后期，国外有些厂商就开始开发研究,如法国TE公司开发的

STATOVARSeries64、德国AEG公司开发的ANTIDUKTORDRIVER、芬兰KONE公

司开发的ACE系列等【划。国内有关单位如常州基腾电气有限公司等公司随后也开展了合

作研制工作，并推出了早期技术产品El。串级调速是我国自己研制的专利产品，近几年在山东电力建设工程公司生产的DBQ1600塔式起重机起升机构'变幅机构和回转机构得到了广泛的应用〔12】。变频调速技术是国际上各大电气公司在上世纪90年代投入全力研制'开发•这几年开始应用在起重机的调速系统中。一些公司如德国SIEMENS•美国GE,日本三菱等推出全数字化的矢量控制技术，大功率的IGBT模块的出现使变频技术在起重机起升等位能负载控制成为现实口3】。目前,变频调速的控制方法有恒压频比控制,转差频率控制，矢量控制，直接转矩控制等。这些控制方法都得到了不同程度的应用,但其控制性能有一定的差异。变频调速具有较完美的机械特性，［14］其良好的起制动性能实现了塔式起重机起升机构吊钩的快速、准确定位［均，从而大大提高了作业效率，使控制系统大为简化'可靠性得到很大提高。变频调速系统必将成为未来塔式起重机调速市场的主流口6］。课题研究将完成的内容该课题将在公司的支持下完成以下内容：(1)通过对本公司塔式起重机结构组成，产品特点进行了解和学习,分析产生导致塔式起重机调速性能可靠性差的原因。提出解决问题的思路；(2)学习应用变频控制技术的基础理论和器件基本功能,论证变频器应用于塔式起重机系统的可行性；研究塔式起重机各机构的负载特性及变频控制的特点。(3)研究塔式起重机各机构的负载特性及变频控制技术的特点。确定塔式起重机变频控制总体方案。(4)变频控制方案的实施。根据方案设计三大机构的主回路和控制回路设计等。(5)深入分析起升机构的负载特性和制动方式,控制器件选型计算•PLC与变频器的设置；(6)应用效果分析。2塔式起重机变频调速技术塔式起重机作为工民建筑施工的重要特种设备，其机构调速性能的好坏，对使用者而言•决定其施工安全，决定其施工进度，确定其施工质量，也决定其施工成本。同样，对塔式起重机制造企业而言,机构的调速性能决定了企业的产品的质量水平、技术水平，进一步决定了企业的核心竞争力。由此可见，改善塔式起重机机构的调速性能•无论对于塔式起重机制造者还是使用者而言,都具有举足轻重的作用。塔式起重机概述塔式起重机(towercrane)简称塔机1主要用于建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。起源于西欧，1923年制成了近代塔式起重机的原型样机■同年出现第一台比较完整的近代塔式起重机。1930年当时德国已开始批量生产塔式起重机井用于建筑施工。1941年•有关塔式起重机的德国工业标准DIN8770公布。该标准规定以吊载⑴和幅度(m)的乘积(tm)一起以重力矩表示塔式起重机的起重能力。50年代初•我国塔式起重机由仿制开始起步,1954年仿制东德建筑师I型塔式起重机；60年代自行设计制造了25tm、40tm、60tm几种机型，多以动臂式为主；70年代，随着高层建筑的增多，对施工机械提出了新的要求，于是，160tm附着式、45tm内爬式720tm自升式等塔式起重机相继问世；自上世纪80年代以来，我国塔式起重机行业得到快速发展尤其近几年，塔式起重机销量持续攀高。在中国塔式起重机的生产与应用已有60多年的历史，历经了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程。塔式起重机按能否移动分为行走式和固定式。固定式塔式起重机塔身安装在整块混凝土基础上,行走式可分为履带式、汽车式、轮胎式和轨道式四种。按其变幅方式可分为小车变幅和动腐变幅两种；按其安装形式可分为自升式、整体快速拆装和拼装式三种。应用最广的是下回转、快速拆装'轨道式塔式起重机和能够一机四用(轨道式'固定式、附着式和内爬式)的自升塔式起重机〔仞。我公司生产塔式起重机主要是固定式小车变幅塔式起重机。主要由钢结构'运动机构和电气控制系统三大部分组成。钢结构包括标准节塔身、套架、吊离、平衡臂、上支座、下支座、回转塔身、变幅小车、塔帽和基础节等焊接结构件。其中.标准节塔身由若干标准节叠加组合在一起,构成塔式起重机的结构主体•其制造精度高低结构设计的合理性以及结构材料的好坏决定塔式起重机的整机安全性•是塔式起重机最重要钢结构组件。的在实际的设计制造中•根据使用工况的不同，用户要求不同,整机的焊接结构件数量有增减,结构也有变化。

运动机构是完成塔式起重机工作的各种动作的机械组合体,主要有起升机构'变幅机构'回转机构以及顶升机构。起升机构主要完成起吊物在垂直方向的上下运动的功能,是塔式起重机最核心的运动机构。变幅机构主要完成起吊物在吊臂方向上的位置；回转机构主要完成起吊物在水平方向的圆周内运动的位置；顶升机构主要通过顶升油缸实现塔式起重机套架以上结构体上下升降的功能，实现塔式起重机的自升降功能。起升机构'变幅机构'回转机构可以单独工作也可根据实际使用工况配合工作•而顶升机构根据安装安全性要求只能单独工作，即升塔和降塔时，塔式起重机必须处于安装状态。电气控制系统包括电源'起升电动机、变幅电机'回转电机'电控柜'连接线路'照明装置'操作联动台等组成。控制系统主要的动力执行元件是三相异步交流电动机。塔式起重机的结构及起升机构原理如图2.1所示。平衡臂八7^7、变幅机构回转机构起升机构吊臂塔身基础图八7^7、变幅机构回转机构起升机构吊臂塔身基础图2.1塔式起重机的组成传统的调速方式塔式起重机工况相对较差，运动机构工作的特点就是不断反复的调速・速度的不断变化给钢结构带来不断反复的冲击力•长此以往,金属钢结构必然会疲劳,钢结构所用金属材料使用寿命大大缩短•从而塔式起重机整机钢结构焊接的寿命大大缩短•更有甚者会引起倒塔等重大事故。提高运动机构调速性能，实现连续的低速,使速度变化率降低，就能有效减小调速所带来的冲击力,减缓钢结构的冲击力•提高安全性能，延长金属钢结构的寿命,也就延长塔式起重机整机寿命。塔式起重机的运动动机构中•对调速性能要求最高,功率最大的是起升机构。起升机构也是塔式起重机使用功能最重要的运动机构。对负载的输出要求是恒转矩,因为起吊物所产生的力矩总是与起升电机的转矩相平衡。由于其起吊的重物具有自身重力势能，所以起升起升机构的运动特性属于位能负载。同时•起升机构的是塔式起重机起吊重物的主要力量来源，相对于其它几个机构,其电机功率大，速度变化范围大，速度平稳要求高,调速最频繁、工作时间长，故障率最高,维修难度也最大。所以其调速性能的好坏最能决定塔式起重机的整机性能。所以本文着重从起升机构的调速性能进行研究。对交流电动机的调速方法有很多•一直以来，应用于塔式起重机的三大机构的调速方法只有以下三种：①变极调速；②串电阻调速；③涡流制动器调速。这三种方法均属于有级调速，只能在额定的几个定值速度进行范围很窄的调速■涡流制动调速也就是变级调速与串电阻调速的综合。下面就对塔式起重机应用最多的变极调速和串电阻调速进行分析：(1)变极调速所谓变极就是改变电动机的定子绕组的磁极对数，异步电动机旋转磁通势同步转速与电动机磁极对数成反比,所以,改变磁极对数就是改变旋转磁通势的同步转速。定子绕组磁极对数的改变是通过改变定子绕组的接线方式得到的，如图2.2(a)(b)所示为双Y接法的4极电动机与2极电动机变换。图2.2改变磁极对数SBSr图2.2改变磁极对数SBSr变极调速设备简单•能实现恒转矩调速和接近恒功率调速,但这种方法也有很大的缺点和局限性：电动机的磁极对数有限，所以其能改变的速度只有几个固定值。国内电动机生产厂家一般只生产三速或四速电动机•制造高速比的电动机在技术上要求高•制造成本也高；同时多极电动机的同步转速较高，与之配套的减速器制造技术要求较高•制造成本也高；变极电动机的调速归根接底完全依赖电动机的制造技术，依靠电气控制系统能改变的速度范围小，这就将调速问题变成电动机的制造问题,在实践中，想获得好的调速性能•成本高，技术难度大。变极电动机调速只能是"粗调"，速比都比较小，难以达到塔式起重机国家标准网和行业标准要求的最低稳定速度.应用于塔式起重机的调速,调速机械冲击大。如图2.2(c)为4极变极电动机的调速的机械特性,可以看出，对于单一的极对数，变极电机能有效实现恒转矩调速,但在不同的磁极对数时，电动机的转矩是不同的，因而极对数的改变也引起电动机负载能力改变,这对于塔式起重机机构的恒转矩负载是很大局限性的。③变极电动机调速时需要改变定子绕组的接线方式，需要更多控制元器件来实现接线方式的变换•对控制器件的可靠性要求高•控制电路的设计复杂，接线复杂，维修工作量大。接线方式变换频繁,电器故障率高。(2)串电阻调速绕线式转子异步电动机串电阻调速属于改变异步电动机改变转差率的调速方式。按电动机转差功率来看，适用于转差功率消耗系统。通过改变转子回路传入的电阻值大小来实现电动机转速的调节。如图2,3所示由I。串电阻调速相比变极调速•调速范围相对较宽，调速过程也相对平滑。设计制造成本相对较低•目前■在塔式起重机上的应用相对较多。但这种调速方式也存在很大缺点和应用的局限性：①串电阻调速的机械特性如图2.3(b)所示，机械特性较软•这种调速方式调速范围不大，而且调速范围和负载大小相关•如果负载很小,调速范围就更窄了,效果不明显。如若用于位能恒功率负载•如起升机构起吊下降时,无法调速,只能依靠起升电动机反接制动调速或者设置机械制动装置，这样将存在很大机械冲击。②调速的范围不仅受限于负载,也受限于调速电阻。调速范围越宽，其所需要的调节电阻越多。将带来电控元器件大量增加。电控系统设计复杂,接线复杂。维修难度大。故障率高•可靠性降低。在实际应用中不大,更电阻内将白白地消耗掉许多电熊，浪费能源。③大量调速电阻浪费了电能，功率因数低。同时,电动机启动电流大,对电控系统电缆要求相对较高，配电容量较大。2.1.2存在的问题起升机构电机的变极调速和串电阻调速,都属于有级调速。起升机构在起吊重物时,根据不同运动状况•会不断变换速度，而有级调速只有几个额定的定值速度，在塔机司机根据工况操作调挡时,电机的转矩和转速变化剧烈，重物又具有自身的惯性,此时，起吊物也发生剧烈的速度变化，从而给塔式起重机钢结构带来巨大冲击,同时由于速度的惯性,起吊物在到达目标位置时•无法精确定位，引起起吊物运动轨迹失控。(1)机械冲击塔式起重机起升机构工作时，无论是起吊物上升还是下降，起升电机的输出转矩都要克服起吊物重力做功,将起吊物从静止状态变为运动状态•而且对于运动速度也有相应要求•所以需要起升电机输出转矩给予相应的提升力，来产生加速度•同时由于起升机构的运动方向是是垂直方向，起吊物具有自身的重力。机构所产生的提升力应当是起吊物重力和提供运动加速度力量的矢量合。所以起升机构的输出转矩是很大的，尤其在起吊物启动的一瞬间，这就是机械冲击产生的主要原因。起吊物上升的由起吊物重力和运动加速度产生的过载冲击•相对而言比较好理解•下面以我公司某台采用串联电阻调速的塔机为对象，分析起吊物运动过程中的重力与运行速度变化产生机械冲击的原因。根据国家标准及产品技术性能要求•塔式起重机机构能在不运行时能立即停车制动尤其是在起吊物下降的过程中•要求起吊物不能在重力的作用下随意下滑•一般都在机构上有机械制动装置。起吊物上升时，机构采用的串电阻调速，就是逐级改变转子回路中串联的电阻大小来实现电动机的速度改变•电动机工作的机械特性如图2.4(a)所示。不难看出,随着速度变化调节,电动机的电磁转矩并没有保持恒定,从而,机构的输出转矩无法保持恒定,给予起吊物的加速度也就无法保持恒定,这并不是我们需要的理想的恒转矩状态。因此,在起升机构运行过程中，塔式起重机钢结构件上承受的载荷是不断变化，机械冲击因而产生。图2.4位能负载转子串电阻上升起动及下降制动示意图起吊物下放到目标位置减速时,起升机构输出转矩对于重物而言是阻碍运动制动性转矩，起升电动机机械特性处于第二象限，通过有级变速的方式无法使其减速•也无法有效控制就位速度。实际应用中，都是塔式起重机司机凭借其操作经验,通过目测或通讯工具获得起吊物的速度'位置信息，在合适的位置,将控制杆从零位调整到低速的上升档位，使起升电动机反转,产生反向的制动转矩来实现减速。在起吊物将到达目标位置，运动速度接近零时,又得依靠司机的经验和操作技术水平,将控制杆从低速的上升档位恢复到零位,使起升电动机不会在转速为零后又反向起动。最后通过制动控制装置,使起升机构停车。工作情况如图2.4(b)所示。出于对安全的要求，起升机构必须能在不运行时能立即停车制动，才能保证起吊物不能在重力的作用下自由下滑。根据《起重机设计规范》GB3811规定机械制动器转矩必须大于起升电动机额定转矩的1.7倍[2。],所以机械制动装置设计的制动转矩通常很大。因此,在起吊物下放到目标位置时•机械制动装置将产生巨大的制动转矩来减速，起吊物也就获得的巨大的减速加速度。形成很大的冲击载荷[21]o如图2.5(C)所示【22】•上升加速伏况 上升逸*兄 下就成逸恃况 下,攵成速■况(a) (b) (c) (d)(a)转子回路中串联上升电阻上升加速情况 (b)无级调速上升加速情况(c)转子回路中串电阻下放减速情况 (d)无级调速下放减速情况图2.5位能负载上升起动及下降制动过载荷情况示意图因此起升机构工作时,起吊物从静止到运动的变化,或者从运动到静止的变化，一直都存在的加速度,所以,也就一直存在机械冲击载荷。起升机构最理想的工作状况是恒转矩的位能负载，如果能让起升电机输出转矩大小在起吊物速度调节过程中恒定，在起吊物加速和减速过程中变化平缓。同时起升电机输出转速变化也平滑,能获得长时间的平滑变化的低速。那不是就能有效的降低过载载荷,减小机械冲击。图2.5(b)'(d)就是无级调速时的起吊物的过载荷情况,没有明显的冲击。综上所述，对起升机构而言,起吊物运动速度的变化，是产生机械冲击的罪魁祸首。频繁的机械冲击将引起塔式起重机钢构件的疲劳损坏,缩短结构件的寿命,加剧起升钢丝绳和导轮之间的磨损•带来安全隐患。同时由于机械冲击导致电机启动电流大•严重缩短控制电气元件的寿命•故障率高。同样,对于塔式起重机变幅机构'回转机构在运动状态从静止到运动或运动到静止时•也都不同程度的存在机械冲击。所以,无论从安全性'经济性'可靠性来看,避免和减少机械冲击是提高塔式起重机整机性能的重要环节之一。避免和减少机械冲击的有效方法是改变级调速方式・实现无级调速。减少机械制动装置在减速过程的作用123】。(2)运动轨迹失控塔式起重机在工作时,由起升机构、回转机构、变幅机构相互配合完成起吊物在施工场地空间的位置移动。塔式起重机所起吊的重物•主要是建筑活动所需的各种材料，工器具。这些在建筑的设计中都有准确的位置。另外，施工场地的空间有限•建筑施工的人'机'料等生产要素都有严格而明确的区域划分,因此•对起吊物的位置移动就要有准确的的定位。所以,起吊物的运动轨迹的准确性不仅关系到施工单位的施工进度，施工质量,更关系着施工过程的安全，起吊物在运动的过程中,由于存在惯性,以及起吊物本身速度带来的动能•在起吊物抵达目标位置时•如果操作不当起吊物在垂直方向上很容易会撞击地面在水平方向很容易偏离目标位置。造成财物的损失•甚至人员伤亡。另一方面,起吊物撞击地面,会使塔式起重机突然卸载.带来强大瞬间反冲力矩冲击塔式起重机的塔身结构，严重影响塔式起重机的安全。而且,无论在垂直方向还是水平方向,起吊物速度越快带来的这两种危害的影响就越大。这种现象我们称为起吊物的运动轨迹失控。产生运动轨迹失控的主要原因在于起吊物到位时所具备的速度,速度越大，失控越大。因此消除和减小运动轨迹失控的有效方法就是获得较小起吊物的到位速度。塔式起重机应用最多调速方式是转子回路中串联电阻调速,串电阻调速无法使起吊物就位时得到稳定的低速起吊物在垂直方向下放时，在实际施工生产活动中，都是依靠塔式起重机司机的经验,通过目测或通讯工具获得起吊物的速度、位置信息，操作联通台控制杆使机构电动机进行"点动"，即启动操作后迅速停止操作。通过机构电动机多次的"点动"，来使起吊物获得较低的垂直到位速度。这种方式取得了一些效果,但也存在很多缺点：①对塔式起重机司机操作技能和操作经验要求较高，"点动"操作时间间隔不能长也不能短,短了机构启动不了工作。长了没有较小到位速度•失去"点动"意义。；②完成一次起吊物的垂直到位操作,需要多次"点动"，电气元件动作频繁，容易烧坏接触器触点,也带来频繁的机械冲击；③每次"点动"都需要机械装置制动，机械冲击频繁。起吊物在水平方向移动时•变幅小车通过钢丝绳牵引起吊物移动,钢丝绳与起吊物间会出现一定角度,小车在前,起吊物在后,平移到位时,小车先减速,起吊物在惯性的作用会绕小车吊点作单摆运动，对于起吊物的准确定位会比较困难，很容易产生运动轨迹失控。在实际施工生产活动中，都是依靠塔式起重机司机的经验•通过目测获得起吊物的速度、位置，操作联通台控制杆使变幅小车进行"跟车"，即提前减速•再加速。类似垂直方向的"点动"。通过多次变幅小车的"跟车"，来使起吊物获得较低的水平到位速度。这种方式取得了一些效果，但也存在很多缺点：对塔式起重机司机操作技能和操作经验要求较高•"跟车"要掌握好提前减速的位置和速度。提前减速早了,起吊物还没到位就停了。减速晚了，起吊物就会超出目的位置.完成一次起吊物的垂直到位操作•需要多次"跟车"，电气元件动作频繁•容易烧坏接触器触点,也带来频繁的机械冲击；每次"跟车"都需要机械装置制动,机械冲击频繁。塔式起重机三大运动机构采用串电阻调速都不同程度的存在上述运动轨迹失控的问题。尤其对于回转机构，转动惯量大,准确定点停车相当困难•完全依赖于塔式起重机司机的经验和操作水平,采用上述操作方式来实现。2.1.3解决问题的思路从前面的分析不难看出,起吊物到位时没有稳定足够的低的速度以及平滑的调速,是导致机械冲击和运动轨迹失控的根本原因。塔式起重机采用变极调速或串电阻调速，这两种方式都属于有级调速，无法达到改善调速性能的效果。解决问题的唯一可行性就是改有级调速为无级调速。为此•很多单位研发了一些无级调速产品,如电磁转差离合器、涡流制动器、力矩电动机等。电磁转差离合器是在电动机中引入电刷和滑环环节，通过电磁转差离合器速度差来调节速度的方式，其机械特性软，能耗大，调速范围小，故障率高。塔式起重机广泛将涡轮制动器应用于绕线转子电动机，来实现实现了无级调速，这种方式属于耗能型调速类型,电能消耗巨大，能源浪费严重。启动电流大,电动机制造技术水平要求高,成本高。力矩电机是将普通电机的转子鼠笼条用电阻率较高的材料制造•改变其机械特性，通过调压进行调速，能获得较大的调速范围。但负载能力低、功率因数低,运行效率低,实用性有限。这些无级调速产品都存在不同的局限性，在实际的应用中，效果都不是很理想,还需要寻求更有应用价值无级调速的方法。变频调速技术变频器(Variable-frequencyDrive-VFD)是应用变频技术与微电子技术1通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。随着工业自动化程度的不断提高•变频器也得到了非常广泛的应用。变频器的工作原理三相交流异步电动机的转速公式如式(2-1)所示：n=60f(1-s)/p (2-1)式中： n—同步转速；s—转差率；f—电压频率；p一磁板对数。可以看出，改变异步电动机的磁板对数、转差率和电压频率,就能对异步电动机的转速进行调节，从公式的数学意义上看，以同步转速为函数，其他三因素为自变量。可以看出电压频率的变化与同步转速的变化线性度最好。而且，电压频率可以连续的变化，比极对数只能从1.2.3等取整的变化以及转差率的变化,对于函数同步转速的值的区域要宽广得多。仅从公式上就能看出改变频率无疑是最佳调速方式。进行异步电动机调速时・如果电动机的每极气隙磁通为额定值，就能充分发挥电动机的负载能力。然而只是改变定子电压的频率f并不能正常调速,异步电动机感应电动势和电磁转矩的表达式为：E=4.44fNKOm (2-2)Te=Cmemlcos。 (2-3)式中：E一气隙磁通在定子每相绕组中感应电动势的有效值(V)；N一定子每相绕组串联匝数；K—电动机基波绕组系数；em一电动机气隙中每极合成主磁通；Tl电磁转矩；Cm—电动机转矩常数；I—转子电流折算到定子一侧的电流有效值；cose一转子电路的各相功率因数。通过上式可以看出，假设我们只改变电压频率f进行调速，若调节电压频率f上升时•主磁通em 会下降，从而带来电动机输出转矩降低,负载能力下降；若调节电压频率f下降时，主磁通①m会上升，由于电动机的主磁通em的额定值一般在定子铁心的饱和点附近，主磁通em上升容易使电动机处于过励磁状态，主磁通过饱和,励磁电流急剧增大,定子铁心耗损加剧•电动机过热。所以只是简单的改变异步电动机电压频率f并不能有效的调速，一般而言，都是在调整电压频率f的同时也调整定子的供电相电压,通过定子电压与供电频率的配合还进行变频调速。异步电动机的额定频率我们称之为基频，大多数情况也就是工频(50HZ),变频调速可以根据需要从基频往上调,也可以从基频往下调。这两种不同的变频调速方式，有着不同的调速特点【24］：(1)基频以下变频：前面提过，当电动机的电压频率往基频下调时，就会导致电动机主磁通过励磁•严重影响电动机的负载能力。上面公式可以看出，要保持电动机主磁通不变•只能在降低供电频率的同时降低电压,即保持供电电压与供电频率比值为定值,这样就能即调整电动机转速•又维持电动机输出转矩恒定。为恒转矩调速方式。是适合塔式起重机机构的调速工况的。(2)基频以上变频：当电动机电压频率从基频往上调时。而电动机的供电电压不可能升高,只能保持在额定值不变。因而•主磁通0m 会下降会随着电压频率的升高而减小，是一种降低磁通调速的方法，这种状态下调速，电机功率是恒定,为恒功率调速方式°将基频以下调速和基频以上调速的特性画在一起,异步电动机的变频调速控制特性如图2.6所示【251.fin为基频。图2.6异步电动机变频调速时的控制特性变频器的构成变频器主要由整流器、滤波器、逆变器、制动单元'驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能'调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压'过载保护等【26】。其中：(1)整流器：作用是将电网三相交流电(也可以是单相)整流成直流。可以由二极管构成，也可以由晶体管构成。功率方向可逆能进行再生运转。(2)滤波器：异步交流电动机属于感性负载,电路中存在无功功率交换•需要具有滤波功能的中间直流环节来缓冲。变频器根据直流环节的可分为电压型变频器和电流型变频器。(3)逆变器：同整流器相反,逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率,由六个开关元件组成的，通过控制开关元件的通断•从而获得三相交流输出。(4)控制器：作用是按设定的程序工作，产生控制信号，控制输出方波的幅度与脉宽,使叠加为近似正弦波的交流电•驱动交流电动机。中小变频器中应用得最广泛的交-直-交电压型变频器•基本结构如图2.7所示【27】：交流 直流 交流图2.7交-直-交变频器结构变频器工作可分为两个基本过程：①先将电源的三相交流电经整流桥整流成直流电(交-直变换)；②再把直流电’逆变”成频率任意可调的三相交流电。变频器主电路如图2.8所示〔28】。交-直变换采用三相全波整流,滤波和限流。在直-交变换过程中•通过正弦脉冲宽度调制(SPWM)来实现［29］。图2.8变频器的主电路变频器的控制方式低压通用变频输出电压为380~650V•输出功率为0.75~400kW•工作频率为0~400Hz，主电路大都采用交一直一交电路。控制方式主要有恒压频比控制'转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制。(1)恒压频比控制【3。】：交流电动机常见控制方式,有着广泛的应用。其控制原理为：通过保持电压频率之比为定值，使转子磁通的恒定。优点是：电路结构简单'应用

成本低,机械特性较硬,一定情况下,能够实现平滑调速,缺点是：转矩响应慢,转矩利用率低，控制参数调整复杂，低速时，稳定性差。(2)转差频率控制：将转速频率变化与实际转速变化形成反馈。实际同步转速与转速频率变化形成闭环。优点是：调速较平滑,系统较稳定。缺点是：电机瞬时转矩未能引入闭环，系统的动态响应慢。(3)矢量控制：根据交流异步电动机数学模型•通过向量坐标的数学变换将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度，磁场两个分量进行独立控制。然后经过相应的坐标反变换为交流电动机,实现对异步电动机的控制。(4)直接转矩控制：直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型,控制电动机的磁链和转矩。省去了矢量坐标变换中的复杂计算；无需模仿直流电动机的控制,也无需为解耦而简化交流电动机的数学模型。变频器控制功能低压通用变频器内部控制框图如图2.9所示【31】。1^OOOO电源采样RsT1示显驱动电路外接输入篇干1^OOOO电源采样RsT1示显驱动电路外接输入篇干外接输出端子图2.9变频器内的控制电路框图变频器具有很多完善的保护功能•对变频器本身，电路控制器件•电动机进行保护，而无须设置外部保护电路和装置。如：当电动机过载时,过载保护功能能有效对变频器进行过载保护而无须另设计保护电路,同时也能为电动机提供良好的过载保护；当电源缺相时•只会影响变频器的直流部分,电动机输出电压和相序都由变频器提供，不会缺相工作•所以无需对电动机设计过电压、欠电压'缺相和逆相序保护电路；当电路短路

时,变频器的短路保护功能也会为输出线路和电动机以及自身提供了短路保护等；此外，变频器还具有机械保护、计时'PID控制、节能'固定偏差控制'力矩控制'零伺服功能等等,可参考变频器说明书我公司主要应用日本安川公司的变频器。以安川变频器VarispeedG7为例。安川变频器基本的控制功能及接线方法如图2.10[31]。遂升£6/件匕「卜―故《故一2M&±13发速招力，一2.动扑J卜«&极封编指年〃段士指4、？也指Z.一加或走廿闵也扑1#常停止4-20aA据令外MEMOBUS通信RS485/422遂升£6/件匕「卜―故《故一2M&±13发速招力，一2.动扑J卜«&极封编指年〃段士指4、？也指Z.一加或走廿闵也扑1#常停止4-20aA据令外MEMOBUS通信RS485/422o-Mm$功能堪粗菱“人主速指令酥”弓我0-32*»0）燃聿被之用电源♦1SY201A士建指伞。・10V（2OKQ）士生指令4・20以（250。）*24V4赢我连接篇孑限;+4H射人一领事/七中调以电皿鸟AlA2十一畀珞集电极2（微率一长）4—开路集电极3（运行/备尤）开珞集电极1（频率检出2）林才宜祝输出球才序列桁出（的出频聿）0z41«*(+3(T迄IPG-B】■O收十接点的出AC25OV1A<DC3OV1A多功能林点输出（运行中）AC2S0V1AADC30VU畀珞泉电极1（till）图2.10安川变频器VarispeedG7的标准接线图本章小结本章对塔式起重机的发展,机械结构和工作运动状况进行了叙述•并对当前塔式起重机的机构两种主要调速方式变极调速和串电阻调速进行运动机械特性的分析，发现了采用变极调速和串电阻调速的调速方法存在机械冲击大'运动轨迹失真这两个主要的问题。通过对机械冲击大、运动轨迹失真问题的分析•提出解决问题的思路就是改有级调速为无级调速。通过对机构运动的核心动力设备异步电动机分析,要有效的实现无级调速,只有往改变电动机频率的方向去寻找方法。进而对改变频率的主要电气设备变频器进行了原理•结构的分析以及控制方式的研究。进一步论证变频器应用于塔式起重机调速系统的可行性。3塔式起重机变频调速总体方案塔式起重机通过起升机构'变幅机构和回转机构的相互配合工作来完成起吊物体在施工场地空间的位置移动。起升机构完成起吊物垂直升降，变幅机构完成起吊物沿吊臂往复运行•回转机构完成起吊物水平360度旋转。塔式起重机变频系统就是应用变频器对这三大机构进行调速控制,达到减小机械冲击、提高效率的目的。其中起升机构是变频控制的重点和难点，在论文中进行主要阐述。塔式起重机变频控制系统总框图如图3.1所示。塔式起重机的起升、变幅'回转电动机都按独立运行设计,考虑成本和可靠性,整个控制系统选用1个PLC和3个小功率变颇器控制4台电动机。根据各机构实际使用工况和负载特点，起升机构采用带速度反馈的矢量控制模式变幅机构采用无反馈矢量控制•回转机构采用U/F群拖方式•利用涡流制动器进行辅助制动。三机构采用变频控制后,变频器完善而强大的保护功能大量减少电路中的过流，过载，欠压，缺相等各种保护电路。大量接触器和继电器也被功能完善的可编程序控制器取代，主电路大为简化如图3.2。图3.1塔式起重机变频控制系统总框图变幅电机回转电机图变幅电机回转电机图3.2塔式起重机三机构主电路图3.1电源系统电源系统是塔式起重机工作动力的源泉,一般采用380V、50Hz的三相交流电,电源系统电压波动应不超过±10%。根据GB/T5031-2008《塔式起重机》要求•塔式起重机一般应采用三相五线制供电。塔式起重机是属于易发生安全事故的特种设备。在设计安装电气系统时•必须严格遵守国家施工现场设备安全相关的法律法规'符合塔式起重机设备的国家强制规范和标准要求。在符合上述要求后•才能结合变频控制系统技术特点进行电源系统设计。(1)电源系统不仅要给主要三大运动机构提供动力•还要为顶升机构泵站电动机、司机室照明,通风或空调系统以及吊臂•平衡臂，塔帽位置报警系统的等提供动力。(2)总电源回路应设置总断路器,总短路器的电磁脱扣功能•断弧能力应符合相关设计安装标准和安全技术要求。(3)电源系统容量应按GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求计算校核，符合变频控制系统技术要求。(4)供电电缆选型应按GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求计算校核，符合变频控制系统技术要求。电源系统电路如图3.3所示■图中主要符号说明如下：QS-刀开关、HH-电笛、QF-总电源断路器'EF1-EF2-冷却风机、PV-电压表、HU--过欠压指示灯'TC一变压器、HP--旨动信号灯'KAU--过欠压继电器'HB-照明灯'KAP-相序继电器、EC-驾驶室照明灯'PP2-液压顶升电机、XS-备用插座、KM-总电源接触器、KMC-总控制接触器。图3.3电源总线变幅机构变频控制变幅机构负载特性塔式起重机变幅机构通过变幅钢丝绳牵引变幅小车沿吊臂往复运动,改变起吊物在水平圆周内径向位置。由于起吊物自重的影响很小，其负载特性不同于起升机构。当机构后动时，当变幅电动机输出的转矩大于变幅小车的启动力矩时，变幅小车旨动。小于变幅小车的后动力矩时•无法官动•没有起吊物自重产生的溜钩问题。变幅小车停车也一样的。因起吊物和变幅小车在水平方向力矩恒定♦所以变幅机构负载特性属于反抗性恒转矩负载。前面我们分析过■变幅机构小车在停车时速度过大是产生起吊物在水平方向运动轨迹失控的主要原因。但如果变幅小车整个过程速度很小的话，又严重影响生产效率。毕竟在很多时候小车在水平方向的移动距离可以达到60米。低速运行是能有效减缓运动轨迹失控。但运送一次物料要来回需要120米的行程,工作效率不高。针对这种情况，我们考虑将变幅小车进行多速段运行。即将运动分为三段，第一段起动段，变幅小车平缓后动。第二段，快速运行段，当变幅小车起动后，以相对的高速运行。第三段减速段，当起吊物快到达目标位置时•提前减速•以防止出现运动轨迹失控现象。这样既能有效防止轨迹失控现象出现•又能提高施工作业效率。我公司生产Q6025塔式起重机•变幅范围为2.5米-60米，吊臂可变幅度有60米、55米、50米、45米四种55米幅度是在60米幅度的基础上去掉一节5米臂和平衡臂尾部一块1.5吨重的平衡重50米幅度是在55米幅度的基础上去掉一节5米臂及一块2.4吨重的平衡重。45米幅度是在50幅度的基础上去掉一节5米臂和一块2.4吨重的平衡重。我们考虑将变幅小车速度分为三段运行•第一段起动段•变幅小车平缓后动。第二段，快速运行段,当变幅小车起动后，以相对的高速运行。第三段减速段•当起吊物快到达目标位置时,提前减速,以防止出现运动轨迹失控现象。变幅机构变频控制方案塔式起重机变幅机构在牵引起吊物时,具有较低的就位速度就能有效避免出现运动轨迹失控现象。变幅机构不需要长时间频繁的调速，也不用长时间的低速运行。而变幅机构的反抗性恒转矩负载特性,在起吊物就位减速时•负载转矩反而给小车减速提供动力。所以变幅机构对调速范围•动态性能的要求相对不高,因此，我们采用无反馈的矢量变频控制方案【32］。选择普通电磁制动电动机来发挥变频器强大的调速功能［33］。通常我们选用变幅机构电动机额定转矩大于变幅负载转矩1.2倍左右。一般不需要设计制动电路［34］o以我公司生产的Q6025型塔式起重机为例，根据相关设计标准和起重机性能要求,

及变幅小车设计质量•确定变幅电机功率为5.5KW•电动机额定电流Id12A。按GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求变幅机构负载持续率为60%电流裕量系数Ki取1.06则变频器额定电流l>Kild=13A-故选择安川变频器G745P5。按此要求的主电路如图3.4所示。控制线路如图3.5所示。回转机构变频控制回转机构负载特性塔式起重机回转机构通过回转电动机与固定在下支座上的回转支撑相对运动,带动吊臂、平衡臂、塔帽等部件在水平圆周内旋转•实现塔式起重机在吊臂为半径的圆周作业和起吊物的位置移动。具有以下特点：(1)回转机构带动很多部件一起转动，质量巨大,惯性巨大。因而决定了电动机后动,制动速度不能太快。否则,很容易烧坏电极。机构运动时,速度和加速度都不能太快•否则,很容易带来巨大的机械冲击。我公司产品一般要求不高于0.6r/min。调速要求起动稳定,平缓,低速。(2)同时由于吊臂、平衡臂很长•迎风面积大，风载荷对回转机构在各种工况下影响大。从而进一步增加机构运动的复杂性。(3)由于回转机构转动惯性大•风载荷影响大，回转机构运动响应速度慢，转动定位难以准确•运动过程的状态的变化给塔式起重机带来巨大冲击和振动。回转机构驱动如此大的惯性负载【35］，常规的调速方式很难获得好的使用效果。在传统的变极调速和串电阻调速方式•都要通过其他办法来提高转差、平衡负载和防止电动机过载，提高回转机构运动的响应速度和定位准确性。一般是在回转电机与回转减速器间增加液力耦合器。然而,对于回转控制使用变频控制方案时，根据前面所讲变频调速原理和特性,是不能增加液力耦合器■回转电动机与回转减速器必须是直接连接。必须采用其他方式来辅助变频控制，以便有效解决回转机构的运动难题。实际应用中■我们一般在常规的变频电动机中加入涡流制动器来解决这一问题【36】。涡流制动器产生的涡流改变电动机主磁通与变频器配合来有效控制回转这一特殊难题。我公司生产Q6025塔式起重机,采用双回转的结构,根据设计文件要求,回转速度不得高于0.6r/min•所以最高回转速度为0.6r/min。空载时回转上部质量约为21吨，回转半径约为61米，其中，吊臂长61米•平衡臂15米。回转机构变频控制方案塔式起重机根据其型号和技术要求•有单回转机构•也有双回转机构。一般而言,中小吨位塔式起重机多选用单回转机构，大吨位塔式起重机采用双回转机构。回转电动机的选型大都选用大转矩电动机。回转变频器功率选型按照回转电动机转矩过载倍数来确定。回转变频器额定电流I应符合如下要求Hl:lNK2\dld/Af (3-1)式中：福一电动机转矩过载倍数；

入f—变频器电流短时过载倍数;K一电流/转矩系数；Id—电机额定电流。以我公司生产的Q6025型塔式起重机为例,根据相关设计标准要求和起重机性能•及回转机构负载大小,确定回转电机功率为5.5KW,额定电流12A，转矩过载倍数2.9倍。取电流/转矩系数1.16•变频器短时过载倍数为1.8•因此变频器的额定电流为22A■先则安川G7A4011变频器•采用无反馈矢量控制。Q6025塔式起重机采用带涡轮制动器的双回转机构变频主电路及控制电路如图3.6和3.7所示。图3.6回转机构主电路[।~~（5）S1NV回转支第器图3.6回转机构主电路[।~~（5）S1NV回转支第器9】 ' 图3.7回转机构控制电路（涡流控制B部分未K出）本章小结为了实现塔式起重机的无级调速控制，有效改善塔式起重机在使用过程的机械冲击和轨迹失真问题,本章主要从以下几个方面进行了塔式起重机的三大机构变频调速的总体方案设计，因本课题主要研究起升机构的变频调速，起升机构在本章没有研究。(1)结合公司产品,及三大机构特点设计塔式起重机的电气控制总体方案,由4台电动机和3台变颇器传动，使用一台PLC加以控制。(2)根据三大机构的总体方案设计，塔式起重机的工作供电总体方案。(3)分析变幅机构工作负载特点,确定变幅机构采用无反馈矢量控制方案•确定变幅电机的选型变幅变频器的选型•设计变幅机构变频控制方案。(4)分析回转机构工作负载特点,确定回转采用U/F群拖方式控制，涡流制动器辅助制动的方案•确定回转电机的选型，回转变频器的选型,设计回转机构变频控制方案。4起升机构变频控制当前的社会生产发展迅速,施工进度的快慢很多时候也决定施工企业的效益，塔式起重机的工作效率，很大程度上确定整个施工项目的进度。要提高效率就要提高机构吊装的速度,但速度的提高又带来调速性能的问题•从而也带来质量安全与效率的矛盾。为有效解决这种矛盾•起升机构吊运速度应采用多速度运行，起动停止时低速运行.吊运途中应高速运行。因此，塔式起重机起升机构的调速性能也直接施工企业的效率。起升机构起升机构的结构起升机构是由驱动装置、传动装置、制动装置和工作装置四个部件所组成。驱动装置就是三相异步交流电动机，通过联轴器和减速器相连"专动装置由减速机和联轴器组成•卷筒安装在减速器的输出轴上，主要通过减速器的减速功能将电动机输出转速和转矩调整为起吊重物所需的转矩和转速；工作装置由卷筒、钢丝绳、滑轮组和吊钩等组成,卷筒通过钢丝绳和安装在塔帽上的导向滑轮及起重滑轮组与吊钩相连。当起升机构工作时，驱动装置将转速和转矩输出给传动装置，传动装置又将调整过的转矩和转速传给卷筒,卷筒又通过钢丝绳'滑轮组牵引吊钩完成起吊物垂直方向的位置移动；制动装置根据需要锁住起吊物在垂直方向的位置，防止其出现溜钩。起升机构原理如图4.1口81。图4.1塔式起重机起升机构结构原理钩吊组轮图4.1塔式起重机起升机构结构原理钩吊组轮滑起升机构的负载特性塔式起重机起升机构通过起升钢丝绳的牵引实现起吊物在施工空间内垂直方向上升和下降的功能。由于起吊物在垂直方向上位置的改变,也就导致起吊物重力势能的改变。所以这是一种位能性负载。前面讲过起吊物自重会给起升机构的工作带来附加载荷。加大在起吊物运动状态变化时带来机械冲击。由于起吊物具有自身重力,目重力的方向在任何时候都是垂直向下的,不会发生方向的改变。起升机构就是没有启动或没有输出转矩•由起吊物自身重力的引起的恒定方向的负载一直存在•而且无论是起升机构的上升还是下降工况，负载方向总是阻碍起升电动机电磁转矩的。当负载转矩大于起升电动机输出电磁转矩时,会拖着起升机构电动机反向转动。起吊物就会下滑。我们称之为"溜钩"。这不符合使用安全要求・是不允许的。但是当起吊物开始起吊和到位结束起吊时起升机构电动机输出转矩产生肯定有一个由无到有和由有到无的过程。这中间必然存在负载转矩大于起升电磁转矩的时刻。为解决起升机构的"溜钩"问题,一般都需要设置机械制动装置来辅助起升机构的控制。在起吊物开始起吊时•起吊物是通过制动装置的制动瓦锁住,以防止其下溜。电动机通电后,电磁转矩不是立即产生的,转矩大小而且也不是一下就能达到正常需求状态•此时，负载转矩大于电动机转矩，制动装置不能解除锁定。只有当电动机转矩大于负载转矩时才能解除制动锁定。在起吊物到位结束起吊时•电动机电磁转矩大小从正常到零的变化，存在负载转矩大于起升电磁转矩的时刻。这就需要制动装置在这个时刻立即工作•锁住起吊物,防止"溜钩"问题产生。但是在实际应用中，无论在机构起动还是机构制动时•制动装置解锁和加锁的时刻很难把握。启动时•解锁不能太早也不能太迟，太早就会出现"溜钩"，太晚就会产生机械冲击。停止时，情况相反。机械制动装置与机构的调速之间必须具备良好的动作配合。为解决机械制动装置与机构的调速之间必的动作配合问题。传统的变极调速和串电阻调速•无法通过控制系统的优化来实现。完全依赖于塔式起重机司机的经验和操作技术。不可控性大。起升机构采用变频控制后，对负载设置速度检测装置♦将信息反馈给变频器，通过变频器调节输出频率，确认识别到输出频率所产生的电磁转矩正好等于负载转矩时,制动装置进行解锁或加锁操作【39H4。1。综上所述,起升机构的负载特性是恒转矩的位能性负载，容易带来机械冲击和"溜钩"现象,其调速系统设计主要侧重于解决起吊与停止时的稳定低速的获得,低速转矩的获得及与机械制动装置配合起停车等问题。我公司生产Q6025塔式起重机，吊钩滑轮组采用2倍率时，独立式高度为53米，附着式高度230米，最大起重量为6吨，最小起重量为3吨■最大起吊速度85m/min,最大小起吊速度42.5m/min。采用4倍率时，独立式高度为53米，附着式高度110米,

最大起重量为12吨•最小起重量为6吨,最大起吊速度42.5m/min,最大小起吊速度21.2m/min。变频控制方案设计塔式起重机起升机构的变频调速系统主要由起升卷筒、变速箱、变频器、制动器和速度检测装置构成,如图4.2【41］。其中,速度检测装置的作用将起吊物在起吊过程中运行的速度状态反馈给变频器•由变频控制系统对起吊物速度进行分析,判断起吊物的运行状况是否正常，是否进行修正和启动制动装置进行制动。1212LL图4.2塔式起重机变频起升机构控制原理图起升机构变频调速机械特性由前面分析知道，塔式起重机的起升机构工作的负载特性属于恒转矩位能性负载，起升机构几种典型的工况在变频控制时，起升电动机的机械特性［42］。(1)重物上升：重物起吊上升时,电机的旋转方向与电枢电流产生的转矩方向相同'即电动机受正向转矩作用，其机械特性在第一象限。如图4.3中之曲线①所示，工作点为A点•转速为n1。当通过降低频率而减速时,在频率刚下降的瞬间，机械特性已经切换至曲线②了，工作点由A点跳变至A'点,进入第二象限，其转矩变为反方向的制动转矩，使转速短时下降,并重新进入第一象限，至B点时,又处于稳定运行状态,B点便是频率降低后的新的工作点这时，转速已降为n2。

»(i7iiun)A图4.3起吊重物时工作状态图(2)轻载下降：空载(包括轻载)下降时，吊钩自身是不能下降的，必须由电动机反向运行来实现。此时电动机的转矩和转速都是负的•故机械特性曲线在第三象限•如图4.4中之曲线③所示,工作点为C点■转速为n3。当通过降低频率而减速时，在频率刚下降的瞬间,机械特性已经切换至曲线④了•工作点由C点跳变至C点•进入第四象限,其转矩变为正方向•以阻止吊钩下降•至D点时，又处于稳定运行状态•D点便是频率降低后的新的工作点,这时，转速为n4。图4.4轻载下降时工作状态图(3)重载下降：重载下降时重物将因自身的重力而下降，电动机的旋转方向是反转(下降)的,但其转矩的方向却与旋转方向相反是正方向的其机械特性如图4.5所示•工作点为E点，转速为抽。这时，电动机的作用是阻止重物由于重力加速度的原因而不断加速，达到使重物匀速下降的目的。在这种情况下,摩擦转矩将阻碍重物下降•故重物在下降时构成的负载转矩比上升时小。变频器控制方案选择在低压通用变频器的实际应用中,主要有恒压频比模式'矢量控制模式和直接转矩控制模式。前面提到过，采变频的方式对电动机进行速度调节时•必须保持电压与频率之比定值•才能避免弱磁或过磁现象的产生，保证了电动机的负载能力和使用可靠性［43］。当变频器采用恒压频比模式时，弱磁或过磁问题比较严重，恒转矩的负载运行频率受到限制，必须对变频器进行电压、转矩、转差等多种方式的补偿，才能有效解决这种问题〔44H45］。当采用电压补偿和转矩补偿时，能有效降低电网冲击，降低静差率，增大调速范围，尤其对于电动机低速转矩的输出能力有极大提高。但电压补偿受电动机转矩的影响,容易出现过补偿和欠补偿,从而影响低速转矩的输出。采用转矩补偿的系统动态效果差，稳定性差。转差补偿能有效提高系统稳态误差,但其引起的系统电网冲击大,负载后动加速度小。所以采用各种补偿方式恒压频比控制方式•动态性能差。只适合对动态性能要求不高的负载,如变幅机构系统不适合起升机构这种位能性恒转矩负载［46］［47］.当变频器采用矢量控制模式时，众所周知，直流电动机调速有着先天的优势•调速范围宽，启动、制动性很容易实现无级调速等。矢量控制的思想是通过数学变换交流电机的数学模型，形成为直流电动机模型，再按照直流电动机去进行调速。如图4.6所示矢量控制原理图【48】,从而使交流电机的调速性能接近于直流电机的调速性能【49】。采用矢量控制模式,电动机机械特性硬，能获得稳定的低速输出转矩•系统动态响应迅速。如果在系统中如图所示，引入电动机转速反馈•可以进一步提高矢量控制模式的调速性能。所以•矢量控制模式能满足位能性负载的调速的需求，是塔式起重机起升机构比较理想的调速控制模式。矢量控制技术是一种高性能的异步电动机的控制方式,它是基于电动机的动态数学模型•分别控制电动机的转矩电流和励磁电流。由于矢量控制技术在交流异步电动机调速系统当中的应用,使得交流异步电动机调速后的性能和动态性能都达到了可以与直流电动机调速性能相媲美的程度，从而更快的推进了交流异步电动机变频调速的发展和应用。矢量控制的基本思想是将交流异步电动机的物理模型等效变换成类似直流电动机的模型•再仿照直流电动机去控制它，等效的原则是在不同坐标中产生的磁动势相同。异步电动机经过坐标变换可以等效成直流电动机,那么模仿直流电动机的控制方法，求得直流电动机的控制量,经过相应的坐标反变换就能够控制异步电动机了。坐标变换应用的原则是：变换前后总磁势、总功率不变°当d-q同步旋转坐标系的d轴与转子磁链方向一致时，转子磁链的d轴分量等于转子磁链,而q轴分量为0，这将使电动机的数学模型更简化。为了突出该定向方式,我们用同步旋转的M-T坐标系表示以该方式定向的d-q同步旋转坐标系。在M-T同步旋转坐标系下,感应电动机的数学模型可表达为如下形式。(1)电压方程TOC\o"1-5"\h\z定子电压方程为：Uml=rsliml+P①ml■①tl3J (4T)Uti=Giti+p-3s (4-2)转子电压方程为：Um2=0=rrim2+Pcl)r； (4-3)Ut2=0=八+① (4-4)(2)磁链方程定子磁链方程为：①ml=Liml+J心2 (4-5)屯i=Liti+Lmit2 (4-6)转子磁链方程为：①产匕L+二iml (4-7)OuLk+Lmin (4-8)用矩阵形式表示的电压方程为：r>UmiRs+LsP-u)sLsUP-3sknImiUti3sLsRs+LsPtOxLmLmPIT1(4-9)0LmP0Rr+LrP0IM20I>3sL0△3L氏lT2Iy

以转子磁链表达的异步电动机数学模型:r-UmiGs+bl_sP-ujsSLs(L，LJP-ImiUti3sLm36LRs+6LsP3(L/L)LPIT1(4-10)0x. >—s s-RL/Lrm R0/Lxm RR+Prrm0J①M2IJ00-RL/Lrm R△3rRr62因为①m2=R和①t2=0,有：cpr=LmiMi/TrP+l (4-11)转矩方程：T=Pm(Lm/L)ma (4-12)根据矢量控制思想通过矢量控制系统的坐标变换结合异步电动机电磁转矩方程，经过相应数学计算,可得如下异步电动机的动态结构框图。图4.7异步电动机的动态结构框图当变频器采用直接转矩控制模式时,直接转矩控制就是直接在定子坐标系控制电动机的磁链和转矩来实现调速控制。相比矢量控制，简化系统结构，没有解耦和复杂的坐标变换问题。有很大的应用前景。但与矢量控制相比•调速性能相对较差，调速范围小，应用于塔式起重机起升机构不如矢量控制模式•而且直接转矩控制在实际应用中，还没太多实际的经验。表4.1调速方式效果对比恒压频比方式测速反馈矢量控制直接转矩调速性能较差较好好调速范围不够宽较宽不够宽动态响应差一般较好转矩输出能力差好一般所以•根据起升机构的负载特点，和机构调速技术要求■选择变频器带测速反馈的矢量控制方式。控制器件选型(1)电动机功率的选型根据GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求,机构电动机最大输出速度应小于1500r/min，塔式起重机起升机构宜8板以上电机。以Q6025塔式起重机为例，设计要求起升机构在二倍率时最大速度85m/min•二倍率时塔式起重机的最大起吊重量为3吨,在四倍率时最大速度42.5m/min•最大起吊重量6吨。因此，起升机构电机功率P=GV=85*3*10/60=42.5*6*10/60=42.5KW，起升电机应选择功率为55KW•额定电流为121A左右的8极变频电动机。根据GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求•设计计算书要求以及设计的很多经验值。变幅电动机•回转电动机的功率均选为5.5KW的6极电机，额定电流也均为12A。(2)变频器的选型当机构电动机功率选型完成后,根据电气控制系统的设计，进行变频器的选型。根据GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求,设计计算书要求以及设计的很多经验值,以及所选变频器品牌的技术特点，一般按所选电动机功率的1.1-1.3倍确定变频器的功率。根据GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求进行变频器额定电流的选型，起升机构电动机额定电流为1=121A负载持续率在40~60%左右裕量系数取K选1.15•起升变频器额定电流应大于K*I=139.15A。选择额定输出电流为165A的起升变频器。同样，变幅电动机额定电流12A-负载持续率为60%裕量系数K=1.05■变幅变频器额定电流应大于K*I=13A。回转电动机额定电流12A转矩过载倍数2.9倍。电流/转矩系数1.16•变频器短时过载倍数为1.8•因此选择的变频器的额定电流为22A。(3)能耗电阻的选型据GB/T13752-1992《塔式起重机设计规范》要求进行要能耗电阻的选型计算。首先要计算各机构系统系部件的转动惯量,以及对应的起动速度和停车速度,减速时间长短和系统负载大小等。难度大误差也大•没有实际的应用价值。一般都是根据经验,选择电机功率的40~70%之间的电阻，在很多特殊部位可以适当调整电阻功率。(4)PLC选型PLC控制系统的输出：起升机构上升、下降动作的输出，回转机构顺时针，逆时针旋转输出，变幅机构小车前进和后退的输出,电铃和指示灯驱动信号等等；共计10