日立变频器在塔吊QTZ80起重机上的应用案例

      塔式起重机是建筑工地上应用得十分广泛的一种起重机械，传统的控制方式多采用交流饶线式电机串电阻的方法启动和调速。由于长期重载运行，频繁正、反转，冲击电流很大，再加上有些场合工作环境差，电机的滑环、炭刷及接触器经常损坏，接触器的触头烧毁、炭刷冒火、电机及电阻烧毁现象时有发生，线路复杂，回转机构的轴承经常需要更换，由于主卷扬机构大多是由两个电机工作在一个轴上，高速电机处于工作状态、则低速电机处于制动状态，始终处于一个工作、一个制动的矛盾中，在由快速向慢速转换时机械冲击大，经常发生打齿现象，曾经出现过货物已经定位，工人已经扶住缆绳，再由快速向慢速切换时，发生打齿现象，慢速电机制动失灵，非常危险。偶尔也会出现折轴的现象，故障率较高，对生产影响很大，维修量及维护费用也很高。由于异步电机有着无可伦比的优点：结构简单坚固、价格便宜、易于维护，因此采用变频器拖动三相异步电机的控制方式取代传统调速方式，可以从根本上解决天车故障率高的问题，而且技术先进、节能显著，是塔式起重机理想的传动控制装置。

* 起重机的基本构件
　1.大车运行机构：用于拖动整台起重机顺着工地做“横向”运动，由电动机、制动器、减速装置和车轮组成。
　2.小车运行机构：用于拖动吊钩及重物顺着桥架做“纵向”运动，也由电动机、制动器、减速装置和车轮组成。
　3.提升机构：用于拖动重物做上升或下降的起升运动，由电机、减速装置、卷筒和制动器组成。大型起重机（超过10吨）有两个起升机构：“主钩”和“副钩”，通常“主钩”和“副钩”不能同时起吊货物。
　4.回转机构：拖动桥臂以轴为中心做旋转运动，由于防止跑偏，通常由双电机、减速机构、制动器组成。

* 变频控制的硬件结构：
　在QTZ起重机中，起重量为8吨，提升机构采用Y200L-4型异步电机，功率30KW，转速1500rpm；小车采用Y112M-4型异步电机，功率4KW，转速1500rpm；回转机构采用Y112M-4型异步电机，功率4KW转速1500rpm，控制系统中，PLC主要功能是接受控制台的指令，并检测各种传感器的信号，执行预先设定好的程序步骤；变频器的主要功能是接受PLC指令，按照程序命令调整电机的速度。

* 变频器的选型与设置：
　由于采用PLC为逻辑控制部件，所以变频器和PLC通讯时采用开关量而不用模拟量，SJ300系列使用无速度传感器矢量控制，具有离线、在线自整定功能，可以对任意三相异步电机进行矢量控制。选型时应该根据负载情况选大一档，根据情况选用SJ300-370HFE、SJ300-055HFE，485通讯接口标准配置，便于满足将来进行联网升级的需要。在要求不高的塔吊中，可以不加速度反馈卡为了保证运行精度及运行可靠性，电机速度运行应该采用速度闭环控制，电机转速的检测由和电机同轴的旋转编码器完成，旋转编码器采用欧姆龙，要求1024脉冲、5V电压。为使变频器工作在最佳运行状态，应该对拖动电机做一下自整定设定，变频器遍可以自动识别并储存电机相关的内部参数，使变频器能对该台电机进行最佳控制。附录表一、表二为变频器调整参数。

* 变频改造时注意问题：
　1.回转系统：主要特点：多采用分别拖动方式（即有两台电机拖动），调速范围一般为6：1范围内；改造方案：采用变频专用电机，两台电机共用一台变频器，采用SJ300-055HFE系列，可以采用矢量控制，使控制精度更精确。
　2.小车拖动系统：主要特点：只用一台变频器，由于行程较短，故调速范围较小，一般范围在4：1。拖动方案：采用变频专用电机，变频器型号选择SJ300-055HFE系列。
　3.制动方法采用直流制动、再生制动和机械制动相结合的方法：
　　A、首先通过变频调速系统的再生制动和直流制动把运动中的回转或小车的转速迅速而准确地降为“0”，待电磁制动器将轴抱住后再取消运行信号；
　　B、小车使用的变频器，由于再生制动仅出现在降速过程中，再生电能通过制动电阻消耗掉即可。但对于回转机构使用的变频器，由于所需要的制动电阻容量较大，非但体积大，产生的热量也很大，建议常备用。
　　C、防止溜钩：在电磁制动器抱住之前和松开之后，极容易发生重物自由落体下滑现象，防止溜钩现象应该注意的主要问题是：
　　　（1）电磁离合器在通电到松开（或从断电到抱住）大约需要时间0.6秒左右（根据型号大小而定）
　　　（2）重物停住的控制过程（利用频率到达信号，当工作频率下降到设定频率后输出制动电磁铁断电信号）

（3）重物升降的控制过程
　　　（4）使用变频器“0速”150%转矩功能

* PLC系统结构：
　在塔吊控制系统中，有大量的逻辑命令需要处理，这部分工作由PLC来完成，只有对众多的逻辑信号进行正确的处理，才能控制变频器拖动电机完成整个塔吊的整个工序。
　附图一所示为日立PLC（型号为E-64HR）的端口接线与部分相关器件的联结。ZDA为回转制动按钮、HZX为回转左限位、HYX为回转右限位、QXX为下降停车位、QSJ为上升减车位、QSX为上升停车位、QXJ为下降减速位、BQJ为小车前减速位、BHX为小车后减速位、BQX为小车前停车位、BHJ为小车后停车位。F100为100%起重量、F80为80%起重量；01为空载状态、M100为100%力矩（起重量调整）、M90为90%力矩（幅度调整）、M80为80%力矩；1K、2K、3K分别接联动台控制器，联动台控制器负责发出上升、回转、变幅、制动等控制命令。
　联动台控制器的闭和表如附图二，PLC的端子1G、1S、1X、1L、1M、1H；2G、2S、2X、2L、2M、2H；3G、3S、3X、3L、3M、3H分别接提升、回转、变幅，与变频器控制端子对应关系为G-CM1、S-FW、X-8、L-7、M-6、H-3；PLC的RUN端子接变频器的12、CM1；PLC的DZS、HD、BD、1ZD、JL端子分别接中间继电器的线圈，主要控制提升、回转、变幅的电磁制动器。
　附图三为SJ300系列变频器控制框图。

* 本拖动系统的特点：
　1.高可靠性（使用鼠笼机取代绕线式电机，消除电刷和滑环等薄弱环节）
　2.高稳定性，在数字设定情况下，频率稳定性为最大频率的+-0.01%（-10OC~50OC），负载变化时，各挡速度基本不变
　3.高制动力矩，快速制动时，通过制动单元和再生电阻可达到0.01MS完成制动
　4.控制灵活，本系统可以根据现场情况很方便地调整各档速度和加、减速的时间，使天车操作更灵活，反映更快；原系统由十分复杂的接触器和继电器系统进行的，故障率高，采用变频后，控制系统可以大大简化。
　5.效率高：变频调速属于高效调速系统，运行效率高，发热损耗少，无功损耗少，故节电率较高。
　6.运行平稳、精度高：变频器可以实现软起、软停，非常平稳，无冲击，停车抱闸时没有任何溜钩现象，完全解决了天车的精确定位问题；
　7.制动电磁铁的寿命大为延长（原系统基本是在运动状态下进行抱闸，而变频调速可以在停住后抱闸，闸皮磨损将大为改善）；操作手柄不再受损（原操作手柄因受力较大属于易损件，采用变频器后，受力很小）

* 结论：
　变频器在QTZ80塔吊上成功应用，为其它起重机引入该系统提供了很好的借鉴作用，特别是在抓斗式起重机中，由于开抓动作、合抓动作、上升动作、下降动作等一系列动作要求比较严格，故PLC的作用更加突出，根据实测，在当前电价水平下，5吨塔吊每天运行8小时，每个月运行30天，大约12~18个月后，节约的电费便可以冲抵设备投资成本

　附录表一：小车拖动变频器参数调整：

　附录表二：回转机构拖动变频器的参数调整：

　备注：黑体参数应该进行反复调试，达到最佳为止