一、概述
隨著我國(guó)建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑施工機(jī)械化水平的不斷提高，對(duì)塔機(jī)的制造質(zhì)量和整機(jī)技術(shù)水平的要求也越來(lái)越高。塔機(jī)的各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所采用的方式、控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、用戶(hù)的可操作性和可維護(hù)性基本上就體現(xiàn)了整個(gè)塔機(jī)的技術(shù)水平和檔次。而在這幾個(gè)機(jī)構(gòu)中，最為重要也是最具有技術(shù)代表性的是起升機(jī)構(gòu)，它控制功率最大、調(diào)速范圍最寬、出故障后的維修難度也最大。而且該系統(tǒng)在變速過(guò)程所產(chǎn)生的機(jī)械沖擊的大小將直接影響塔機(jī)結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷程度。
為了改進(jìn)其性能，國(guó)內(nèi)各主機(jī)生產(chǎn)商在起升機(jī)構(gòu)的調(diào)速控制技術(shù)上已花了許多工夫，得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。從整體上看，絕大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的單電機(jī)傳動(dòng)，以帶渦流制動(dòng)器的繞線式電機(jī)和多極電機(jī)調(diào)速的方案為主。這些傳統(tǒng)的調(diào)速方案，要想達(dá)到較寬的調(diào)速范圍，其途徑不外乎設(shè)計(jì)制造大功率、寬調(diào)速范圍的非標(biāo)電機(jī)，如：采用帶渦流制動(dòng)器的多極繞線式電機(jī)或制作大極差的多速電機(jī)等。由于塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)所需要的較高調(diào)速要求不但給電機(jī)生產(chǎn)廠商帶來(lái)了較多的質(zhì)量控制難題，而且也增加了控制回路和電機(jī)的制造成本，降低了系統(tǒng)可靠性。更有甚者，隨著用戶(hù)對(duì)塔機(jī)的起吊能力要求越來(lái)越大，傳統(tǒng)控制方式已經(jīng)越來(lái)越感覺(jué)到力不從心，不論是上述技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性，其制造成本以及使用性能等方面也存在一些問(wèn)題。所以，我們不得不尋求更理想的新的調(diào)速控制技術(shù)。
鑒于以上的原因，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)商在塔機(jī)的起升調(diào)速方式上進(jìn)行了較多的新技術(shù)應(yīng)用嘗試，比如：采用多極電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，引進(jìn)變頻調(diào)速等。逐漸地，隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷地被人們認(rèn)識(shí)，它以絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)超越了其他的任何調(diào)速方案，其優(yōu)點(diǎn)數(shù)不勝數(shù)，如：零速抱閘，對(duì)制動(dòng)器無(wú)磨損；任意低的就位速度，可用于精確吊裝；速度的平滑過(guò)渡，對(duì)機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)件無(wú)沖擊，提高了塔機(jī)的運(yùn)行安全性；極低的起動(dòng)電流，減輕了用戶(hù)電網(wǎng)擴(kuò)容的負(fù)擔(dān)；幾乎任意寬的調(diào)速范圍，提高了塔機(jī)的工作效率；節(jié)能的調(diào)速方式，減少了系統(tǒng)運(yùn)行能耗；單速的鼠籠電動(dòng)機(jī)保證了機(jī)構(gòu)的運(yùn)行可靠性厖。正是因?yàn)檫@些明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的塔機(jī)制造商所推出的新一代塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)也大多采用變頻調(diào)速方案，如POTAIN，LIEBHERR等世界著名公司。同時(shí)我們認(rèn)為，隨著變頻器價(jià)格的不斷降低，可靠性不斷提高，變頻技術(shù)一定能在塔機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，這將對(duì)產(chǎn)品的安全運(yùn)行和減少運(yùn)行能耗都有重要的意義。為了普及變頻技術(shù)，加深對(duì)變頻調(diào)速方案的了解，本文將對(duì)變頻技術(shù)在塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用作一探討。
二、常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)
1．結(jié)構(gòu)介紹
變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用在我國(guó)已經(jīng)有近10年的時(shí)間，雖然取得了一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并且也有不少的變頻起升機(jī)構(gòu)現(xiàn)在正在工地正常運(yùn)行，但與其他行業(yè)相比，變頻調(diào)速技術(shù)在塔機(jī)上的應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的程度，其中有成本的原因，也有技術(shù)的原因。
國(guó)內(nèi)和國(guó)外目前所采用的典型方案，從技術(shù)上來(lái)講，大同小異，不同點(diǎn)在于：
?。?）變頻器的品牌不同，其采用的控制回路不同；
?。?）系統(tǒng)是開(kāi)環(huán)（不帶PG）或者是閉環(huán)（帶PG）
?。?）機(jī)械結(jié)構(gòu)的形式的不一樣：L型布置、п型布置或一字型布置等；
?。?）減速機(jī)的類(lèi)型不一樣，如：圓柱齒輪減速機(jī)或行星減速機(jī)；是定速比或可變速比等。
就傳動(dòng)控制技術(shù)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(tái)變頻器控制一臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速的典型模式，也可稱(chēng)其為常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)。在所有的這些常規(guī)變頻機(jī)構(gòu)中，LIEBHERR公司在EC-H型塔機(jī)上裝配的變頻起升機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)最為突出，它采用250V電動(dòng)機(jī)和與之匹配的變頻器，配置可變速比的減速機(jī)，L型布置。該方案具備較好的起升速度特性，其缺點(diǎn)是系統(tǒng)成本高，而且部件通用性差。
2．常規(guī)變頻起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
?。?）電動(dòng)機(jī)極數(shù)和功率的校核
當(dāng)起升機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)（如：最大起重量、最高工作速度等）給定后，就要對(duì)電動(dòng)機(jī)的極數(shù)和功率進(jìn)行確定和計(jì)算，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是：
a）電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)小于3000轉(zhuǎn)/分（由減速機(jī)輸入級(jí)的工作轉(zhuǎn)速限制）；
b）系統(tǒng)最高工作頻率應(yīng)小于100Hz（頻率越高，電動(dòng)機(jī)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(wú)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值）；
c）電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩用于校核最大起重量（考慮總傳動(dòng)比、效率、倍率等）；
d）電動(dòng)機(jī)的額定功率用于校核高速時(shí)的起重量（考慮總傳動(dòng)比、效率、倍率等，如果頻率接近100Hz，應(yīng)考慮有效功率降低10～15%）。
在選擇電機(jī)功率時(shí)，根據(jù)以上的條件就能基本確定減速機(jī)的減速比與電動(dòng)機(jī)功率和極數(shù)。
（2）電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
a）變頻器的選取
當(dāng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)確定后，就可著手進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先是變頻器的選型?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的國(guó)內(nèi)外變頻器品牌不少，控制水平和可靠性差別較大，技術(shù)上大體可分為V/F控制、矢量控制和DTC直接轉(zhuǎn)矩控制三種。用于塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)，建議最好選用具有矢量控制功能或者是具有DTC直接轉(zhuǎn)矩控制功能的變頻器，這樣的變頻器品牌較多，設(shè)計(jì)者可根據(jù)自己的熟悉程度、技術(shù)支持力度、其他行業(yè)廠的使用情況等因素來(lái)選擇。
由于變頻器品牌的不同，相同功率下變頻器的過(guò)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(shí)，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(dòng)機(jī)的額定電流，一般的經(jīng)驗(yàn)是選擇變頻器的功率大于電動(dòng)機(jī)功率10～30%左右。
b）能耗電阻的選取
作為起重用變頻系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)下的系統(tǒng)可靠性，因?yàn)檫@種系統(tǒng)出故障往往都發(fā)生在重物下降時(shí)的工況，如溜鉤、超速、過(guò)壓等。也就是說(shuō)重物下降工況時(shí)變頻系統(tǒng)的性能好壞將直接影響整個(gè)起升機(jī)構(gòu)能否安全運(yùn)行。這就要求設(shè)計(jì)人員清楚地了解變頻傳動(dòng)系統(tǒng)的回饋工作過(guò)程，才能做到心中有數(shù)。
大部分變頻器的產(chǎn)品說(shuō)明中，對(duì)如何選擇能耗電阻的電阻值和功率并沒(méi)有非常清楚的描述，而且往往按其推薦的標(biāo)準(zhǔn)配置并不能完全滿(mǎn)足起重工況的要求，同時(shí)有關(guān)這方面論述的文章也不多見(jiàn)，所以在變頻起重控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，電阻參數(shù)選擇顯得有些混亂。本文將對(duì)電機(jī)工作在回饋制動(dòng)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的工作機(jī)理進(jìn)行定性的分析，讀者可以通過(guò)這些分析進(jìn)一步得到有關(guān)電阻參數(shù)的計(jì)算方法。
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基本可以按變頻器樣本給出的參數(shù)確定，基本原則是，考慮直流回路的電壓（重物下降工況時(shí)將超過(guò)600VDC）情況下，電阻上的電流不超過(guò)變頻器的額定電流。
②電阻功率的選取
要準(zhǔn)確地選擇電阻的功率是非常重要的，若選擇太大，會(huì)增加系統(tǒng)成本，太小就會(huì)造成運(yùn)行的不可靠。但要合理準(zhǔn)確地選擇能耗電阻的功率是一個(gè)較煩瑣的事，影響該參數(shù)的因素較多，如：電機(jī)功率大小、減速機(jī)反向效率、下降運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短、負(fù)加速度的大小、減速運(yùn)行時(shí)間以及傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等都會(huì)影響到電阻功率的選取。所以，我們得首先從分析系統(tǒng)在下降工況的工作過(guò)程，從而得到電阻功率的確定方法。
