塔式起重机变幅机构的变频调速技术

塔式起重机（以下简称塔机）的变幅机构通常是操纵台与变频器直接连线，利用变频器的多端速选择进行变速。操纵台变速一般只有3挡，频率分别设定为10 Hz、30 Hz和50Hz 。这种传统的设计方法，仅用变频器代替了继电器、接触器，其调速性能与范围并没有变化，速度挡位太少，不能满足使用要求。

塔式起重机

要调节异步电动机的转速，可从改变下列3个参数入手：定子绕组的极对数 、电动机的转差率和供电电源的频率。改变第1个参数是同步转速，改变第2个参数只能实现在同步转速下的调速，而通过改变供电电源的频率调节电动机的转速，即变频调速，是从恒转矩到恒功率进行全方位的调速，只要设定一个频率就有一个对应的转速。

1.变频调速的电控设计

变频调速能够做到重载低速、轻载高速，使电动机分别工作在不同的恒转矩或恒功率区域。其电控设计以负载工作的实时变化要求为基础进行，因此需要对负载和电动机的特性进行全面的设计和计算。

(1)空载及负载阻力的计算

水平臂塔机吊钩变幅机构一般采用牵引式小车钢丝绳缠绕系统。应用变频器调速依据具体情况分别计算，小车运行分空载与负载2种情况：

空载时的主要参数G (吊具、小车和绳重)是塔机设计时确定的，其产生的阻力是不变的。计算空载阻力时，去掉起吊质量Q，只保留G及相关值，然后汇总即可得出工作机构本身在运行中产生的阻力矩。

负载阻力因起吊质量Q的变化而变化，计算负载阻力时，去掉G保留起吊质量Q及相关值。其中负载最大时的阻力为Fjmax。负载从0到最大值Qm，其单项阻力和实际阻力的计算结果可以各用一条曲线来表示（见图1）。

变幅阻力曲线图

只有完成不同负载在不同速度时的计算，才能确定负载是在恒转矩还是在恒功率区域工作。

(2)运行速度的选择

传统设计时，无论是空载还是最大负载，速度与负载基本无关。在选用变频器进行调速时，最大负载时的最高运行速度定为基本速度，这时电动机工作在恒转距范围内。根据性能要求，将机构可以达到速度的最大值定为最高速度，这时电动机工作在恒功率范围内。这样能扩大调速范围，有利于提高工作效率，使变频调速更有意义。

(3)速度多段化的选择

塔机变幅机构大多采用双速、三速或力矩电动机，其速度只有2挡或3挡。在应用变频器进行调速时，选择几段速度合适是一个值得探讨的问题。现在绝大多数的设计依然是3挡，这显然不理想。选择几段速度应根据所选变频器的性能和变幅机构的要求来决定。一般变频器本身都有多段速度的设定，少则8段，多则16段。变幅机构拖动负载的大小决定其对多段速度的要求：对于起吊质量 ≤ 8 t 的变幅机构，选择5~8段既可；对于起吊质量10~16 t的变幅机构，选择8~10段既可；对于起吊质量≥16 t的变幅机构，可以选择更多的速度段。

(4)多段速度的分配

电动机的恒转矩输出要满足最大起吊质量的要求，这是最基本的设计思路。在起吊质量变小或空载时，要提高工作效率必然要提高运行速度，实现恒功率输出，这是应用变频调速的根本原因之一。如果多段速度选择为8段，根据作业需要，必须有一个启动挡（或称就位挡），中间设几个过渡挡。在电动机的恒转矩输出范围内，设定5段比较适宜；在恒功率输出范围内设定3段速度挡，即可基本满足运行要求。

(5)最高速度的确定

在应用变频器进行调速时，最高速度的选择在恒功率区域，与各段速度的确定值有直接关系。在设计中，确定最高速度才可以决定以下各段速度。最高速度主要取决于塔机臂架的长度和最大起吊质量以及机械精度。从效率方面讲，臂架长时最高速度值可取大些，反之则可取小些。从工作平稳方面讲，起吊质量大时最高速度值可取小些，反之则可取大些。目前塔机臂架长度值越来越大，因此一般取最高速度值≥60 m/min。

(6)各速度值的分配

20世纪80年代引进的法国波坦6DPC4型（10 t）三速电动机变幅机构的运行速度分别为7.5 m/min、30 m/min及60 m/min，其变速比为60/7.5＝8。假如最高速度依然定为60 m/min，那么最低速度（或称为启动速度）可设计为5 m/min，其变速比为60/5＝12，这样就位就要平稳许多。中间各段速度可以分别设定为5m/min、10m/min、15m/min、20m/min、30m/min、40m/min、50m/min、60m/min，如此，塔机性能明显提高。

应该指出的是：除最低和最高速度之外，其余各段速度是可以任意确定的，原则是更适于实际作业的需要。

(7)选择实际应用的最高速度

为了运行平稳，有时并不需要按最高速度运行，对其加以限制就有一个选择的问题。以8段速度、变速比为12、最高速度60m/min为例，实际应用的最高速度应以起吊质量、臂长以及塔机操作者的水平决定，可以设定为60m/min、50m/min、40m/min、30m/min。若设定最高速度50m/min，运行时不应超过此数值。

(8)最高速度的自动控制

为保证电动机及其拖动机构的正常运行，电气系统应具备最高速度的自动控制功能，能根据其负载大小限制其运行的最高速度。如果恒转矩区域的最高速度设计为30m/min，那么满载时就不能高于此速度。其目的是避免因变幅机构运行恶劣而损坏机器。其他负载以此类推。

(9)速度的显示

变频调速要实现无级调速、多级定速，就非常需要1个速度显示装置，给塔机操作者带来方便。速度显示装置要显示电动机运行的实时速度段，以便于调速；变幅机构停止时，还要显示允许运行的最高速度段。

(10)电动机的选择

传统设计是根据最大负载在最大速度时确定功率。一般选择绕线电动机、力矩电动机、双速电动机或三速电动机，其综合效率很低。

应用变频器进行调速时，电动机工作的最高速度应低于减速器允许的最高速度，一般以恒转矩范围与恒功率范围之比来确定电动机的功率与极数，这样可做到重载低速、轻载高速，大大提高工作效率，使成本降低。

(11)减速器的选择

减速器的形式、减速比和允许的工作转速与变幅速度、所选电动机和机构形式相关，选择减速器时要以具体性能参数确定。

(12)变幅机构的操作控制

传统的变幅控制采用联动台，向前、向后分别只有3个速度。而变幅机构采用变频调整技术之后，把操作指令变成最好的控制指令。其运行的软件以及软件上产生的控制效果，可给应用者带来直接效益。其流程示意如图2所示。对于没有可编程序控制器的变频变幅调速机构，只等于用变频器代替接触器，没有任何实际意义。