一、概述
　　
　　隨著我國建筑業(yè)的不斷發(fā)展，建筑施工機械化水平的不斷提高，對塔機的制造質(zhì)量和整機技術(shù)水平的要求也越來越高。塔機的各個傳動機構(gòu)所采用的方式、控制系統(tǒng)的技術(shù)水平、用戶的可操作性和可維護性基本上就體現(xiàn)了整個塔機的技術(shù)水平和檔次。而在這幾個機構(gòu)中，最為重要也是最具有技術(shù)代表性的是起升機構(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)在變速過程所產(chǎn)生的機械沖擊的大小將直接影響塔機結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷程度。
　　
　　為了改進其性能，國內(nèi)各主機生產(chǎn)商在起升機構(gòu)的調(diào)速控制技術(shù)上已花了許多工夫，得到了長足的進步。從整體上看，絕大多數(shù)采用的是傳統(tǒng)的單電機傳動，以帶渦流制動器的繞線式電機和多極電機調(diào)速的方案為主。這些傳統(tǒng)的調(diào)速方案，要想達到較寬的調(diào)速范圍，其途徑不外乎設(shè)計制造大功率、寬調(diào)速范圍的非標電機，如：采用帶渦流制動器的多極繞線式電機或制作大極差的多速電機等。由于塔機起升機構(gòu)所需要的較高調(diào)速要求不但給電機生產(chǎn)廠商帶來了較多的質(zhì)量控制難題，而且也增加了控制回路和電機的制造成本，降低了系統(tǒng)可靠性。更有甚者，隨著用戶對塔機的起吊能力要求越來越大，傳統(tǒng)控制方式已經(jīng)越來越感覺到力不從心，不論是上述技術(shù)的可實現(xiàn)性，其制造成本以及使用性能等方面也存在一些問題。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，國內(nèi)外的專業(yè)生產(chǎn)商在塔機的起升調(diào)速方式上進行了較多的新技術(shù)應(yīng)用嘗試，比如：采用多極電機的調(diào)壓調(diào)速，引進變頻調(diào)速等。逐漸地，隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展，不斷地被人們認識，它以絕對的優(yōu)勢超越了其他的任何調(diào)速方案，其優(yōu)點數(shù)不勝數(shù)，如：零速抱閘，對制動器無磨損；任意低的就位速度，可用于精確吊裝；速度的平滑過渡，對機構(gòu)和結(jié)構(gòu)件無沖擊，提高了塔機的運行安全性；極低的起動電流，減輕了用戶電網(wǎng)擴容的負擔(dān)；幾乎任意寬的調(diào)速范圍，提高了塔機的工作效率；節(jié)能的調(diào)速方式，減少了系統(tǒng)運行能耗；單速的鼠籠電動機保證了機構(gòu)的運行可靠性厖。正是因為這些明顯的特點和優(yōu)勢，國外的塔機制造商所推出的新一代塔機的起升機構(gòu)也大多采用變頻調(diào)速方案，如POTAIN，LIEBHERR等世界著名公司。同時我們認為，隨著變頻器價格的不斷降低，可靠性不斷提高，變頻技術(shù)一定能在塔機上得到廣泛應(yīng)用，這將對產(chǎn)品的安全運行和減少運行能耗都有重要的意義。為了普及變頻技術(shù)，加深對變頻調(diào)速方案的了解，本文將對變頻技術(shù)在塔機起升機構(gòu)上的應(yīng)用作一探討。
　　
　　二、常規(guī)變頻起升機構(gòu)
　　
　　1．結(jié)構(gòu)介紹
　　
　　變頻調(diào)速技術(shù)在塔機各傳動機構(gòu)的應(yīng)用在我國已經(jīng)有近10年的時間，雖然取得了一些成功的應(yīng)用經(jīng)驗，并且也有不少的變頻起升機構(gòu)現(xiàn)在正在工地正常運行，但與其他行業(yè)相比，變頻調(diào)速技術(shù)在塔機上的應(yīng)用還遠遠未達到應(yīng)有的程度，其中有成本的原因，也有技術(shù)的原因。
　　
　　國內(nèi)和國外目前所采用的典型方案，從技術(shù)上來講，大同小異，不同點在于：
　　
　?。?）變頻器的品牌不同，其采用的控制回路不同；
　　
　?。?）系統(tǒng)是開環(huán)（不帶PG）或者是閉環(huán)（帶PG）
　　
　?。?）機械結(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；
　　
　?。?）減速機的類型不一樣，如：圓柱齒輪減速機或行星減速機；是定速比或可變速比等。
　　
　　就傳動控制技術(shù)而言，以上所述差異并未涉及控制方式的改變，均為采用一臺變頻器控制一臺電動機進行調(diào)速的典型模式，也可稱其為常規(guī)變頻起升機構(gòu)。在所有的這些常規(guī)變頻機構(gòu)中，LIEBHERR公司在EC-H型塔機上裝配的變頻起升機構(gòu)的特點最為突出，它采用250V電動機和與之匹配的變頻器，配置可變速比的減速機，L型布置。該方案具備較好的起升速度特性，其缺點是系統(tǒng)成本高，而且部件通用性差。
　　
　　2．常規(guī)變頻起升機構(gòu)的設(shè)計要點
　　
　　（1）電動機極數(shù)和功率的校核
　　
　　當(dāng)起升機構(gòu)的基本參數(shù)（如：最大起重量、最高工作速度等）給定后，就要對電動機的極數(shù)和功率進行確定和計算，其設(shè)計要點是：
　　
　　a）電動機輸出轉(zhuǎn)速應(yīng)小于3000轉(zhuǎn)/分（由減速機輸入級的工作轉(zhuǎn)速限制）；
　　
　　b）系統(tǒng)最高工作頻率應(yīng)小于100Hz（頻率越高，電動機的損耗功率就越大，將破壞恒功率特性，起吊能力大幅度降低而無實際應(yīng)用價值）；
　　
　　c）電動機額定轉(zhuǎn)矩用于校核最大起重量（考慮總傳動比、效率、倍率等）；
　　
　　d）電動機的額定功率用于校核高速時的起重量（考慮總傳動比、效率、倍率等，如果頻率接近100Hz，應(yīng)考慮有效功率降低10～15%）。
　　
　　在選擇電機功率時，根據(jù)以上的條件就能基本確定減速機的減速比與電動機功率和極數(shù)。
　　
　?。?）電控系統(tǒng)的設(shè)計
　　
　　a）變頻器的選取
　　
　　當(dāng)系統(tǒng)的電動機確定后，就可著手進行控制系統(tǒng)的設(shè)計。首先是變頻器的選型?，F(xiàn)在市場上的國內(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。用于塔機的起升機構(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選擇。
　　
　　由于變頻器品牌的不同，相同功率下變頻器的過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，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機的額定電流，一般的經(jīng)驗是選擇變頻器的功率大于電動機功率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)計的重點在于電動機處于回饋制動狀態(tài)下的系統(tǒng)可靠性，因為這種系統(tǒng)出故障往往都發(fā)生在重物下降時的工況，如溜鉤、超速、過壓等。也就是說重物下降工況時變頻系統(tǒng)的性能好壞將直接影響整個起升機構(gòu)能否安全運行。這就要求設(shè)計人員清楚地了解變頻傳動系統(tǒng)的回饋工作過程，才能做到心中有數(shù)。
　　
　　大部分變頻器的產(chǎn)品說明中，對如何選擇能耗電阻的電阻值和功率并沒有非常清楚的描述，而且往往按其推薦的標準配置并不能完全滿足起重工況的要求，同時有關(guān)這方面論述的文章也不多見，所以在變頻起重控制系統(tǒng)的設(shè)計中，電阻參數(shù)選擇顯得有些混亂。本文將對電機工作在回饋制動狀態(tài)時系統(tǒng)的工作機理進行定性的分析，讀者可以通過這些分析進一步得到有關(guān)電阻參數(shù)的計算方法。
　　
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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（重物下降工況時將超過600VDC）情況下，電阻上的電流不超過變頻器的額定電流。
　　
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　　要準確地選擇電阻的功率是非常重要的，若選擇太大，會增加系統(tǒng)成本，太小就會造成運行的不可靠。但要合理準確地選擇能耗電阻的功率是一個較煩瑣的事，影響該參數(shù)的因素較多，如：電機功率大小、減速機反向效率、下降運行時間長短、負加速度的大小、減速運行時間以及傳動部件的轉(zhuǎn)動慣量等都會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程，從而得到電阻功率的確定方法。