变频器在塔式起重机中的应用

    塔式起重机属于臂架型起重机，由于其臂架铰接在较高的塔身上，且可回转，臂架长度较大，结构轻巧、安装拆卸运输方便，适于露天作业，因此大多数用于工业与民用建筑施工。正由于其提升高度大，司机室位置较高，因此操纵难度大，尤其是起吊时对吊重的快速、准确就位要求也高，所以要求起升机构调速性能要好。

    传统的调速系统（起升机构）存在着调速范围小、速度稳定性差，无法长时间低速下运行，而且可靠性低、维护量大、能耗高。

    1．变频器容量的选择

    塔式起重机起升机构的运转具有大惯性、四象限运行的特点，与其他传动机械相比对变频器有着更为苛刻的安全和性能上的要求，选型中应选择变频器是专为起重机类负载而设计的专用变频器，该变频器具有如下特点：

   (1)具有全程磁通矢量控制，在1Hz的低频下，即使无速度反馈环节，也能提供150%额定转矩的启动力矩。

   (2)可配备制动单元，实现四象限运行，而且动态响应好。

   (3)在全速范围内，具有恒矩特性。

    塔式起重机起升机构控制系统中的安全控制环节是防止溜沟的控制，在电磁制动器抱住之前和松开之后的瞬间，极易发生重物由停止状态下滑的现象，称为溜沟。在控制系统中通过PLC对变频器控制，实现变频器的零速全转矩功能和直流强励磁功能，可有效地防止溜沟，其原理如下：

   (1)零速全转矩功能。变频器可以在速度为0的状态下，保持电动机有足够大的转矩，且不需要速度反馈，这一功能保证了吊钩由上升、下降状态时降速为零时，电动机能够使重物在空中停止，直到电磁制动器将轴抱住为止，从而防止了溜沟。

   (2)启动前的直流强励磁功能。变频器可以在启动之前自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的转矩（可达额定转矩的200%）维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。

    起升机构平均启动转矩一般来说为额定转矩值的1.3~1.6倍，考虑到电源电压波动及需要通过110%额载的动载试验要求等因素，其最大转矩应是负载转矩的1.8~2.0倍，以确保安全使用，通常对于普通鼠笼电动机来讲，等额变频器仅能提供小于150%超载负载力矩值，为此可通过提高变频器容量或同时提高变频器和电机容量来获得200%负载力矩值，变频器容量应按下式进行计算

   PCN≥Kk1 PM/ηcosφ    (10-9)

式中  PCN-变频器容量，kW；

   K-过载系数，K=1.8~2.0：

   PM-起升额定负载所需功率；

    η-电动机效率，η≈0.85；

   cosφ-电动机功率因数，cosφ≈0.75；

   k1-电流波形补偿系数，由于变频器的输出波形不是完全的正弦波，而含有高次谐波的成分，其电流应有所增加，PWM方式变频器k≈1.05~1.1。

    以上变频器容量是依据负载功率来计算，如果按电动机额定功率的基础上，提高一挡的方法选择变频器的容量，则可能由于电动机容量过剩而造成变频器的容量过剩，从而造成不必要的浪费。在变频器功率确定的基础上，还必须做电流验证

   IcN>IM    （10-10）

式中  IcN-变频器额定电流，A；

   IM-电动机额定电流，A。

    2．制动电阻的选择

    借助制动单元，消耗电动机发电制动状态下从动能转换来的能量。制动力矩TB按下式计算

   TB=[(JM+JL)(n1-n2)/9.55ts]-TL   (10-11)

式中  JM-电动机转动惯量，kg·m2；

   JL-电动机负载转动惯量（折算至电动机轴），kg·m²；

   n1-减速开始时转速，r/min；

   n2-制动后的转速，r/min；

   ts-制动时间，s；

   TL-负载转矩，N·m。

    制动电阻平均消耗功率PB的确定

   PB=(n1/n2)×0.1047×(TB-0.2TM)×10-3 (kW)    (10-12)

式中  TM-电动机额定转矩，N·m。

    制动电阻R按下式计算

   R= UC²/PB    (10-13)

式中  Uc-直流电路电压，Uc=380V (200V级)；UC=760V (400V级)。