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【摘 要】本文详细介绍了变频器在固定式塔机主提升机构上的改造方案和应用效果,及在实际改造过程中的注意事项。
【关键词】固定式塔机;变频器;能耗制动
Change the Pin technique be fix type tower on board of application
Yang Xue-an
(Fuxun Medium the Yu construction(group) limited liability company Fuxun Liaoning 113000)
【Abstract】This article introduces inverter'reforming solution and application effects to the hoister of tower crane and the attentions at the reforming scenery.
【Key words】Tower Crane;Inverter;Brake
1. 引言
四川建筑机械集团公司生产的C7050塔式起重机是我国上世纪八十年代引进法国波坦公司技术生产的塔式起重机,也是目前我国应用较多的塔机品种。我们知道起重机主提升机的工作特点需要:启动速度慢,转矩大,加速平滑,停车平稳,准确。为达到这一目的,7050塔机主提升机构采用双电机相互能耗制动调速。因此出现的弊病有:能耗大、对控制线路要求高、对接触器的要求高、容易出现打齿轮、烧电机等现象。某公司所购C7050塔机在中钢项目部现场就曾接连出现打齿轮、电机断轴等故障,先后三次分别更换了齿轮、减速器、电机。综合分析原设计缺陷原因主要是:
(1)打齿现象。C7050机械发生打齿现象,有一部分是因为电器控制部分相互切换而造成的,在电路工作正常的情况下,在变档过程中,电机的速度变化是很快的,这种快速的切换,对齿轮的冲击力是比较大的,尤其是在四档、五档相互切换过程中,速度变化最大,对电机、对齿轮的影响也是最大的。因此我们现在运行的此类塔吊有很多都是把五档拆下运行,以避免烧电机、打齿轮。这样可以很大程度的降低烧电机、打齿轮的情况。在其它的档位也存在能量与速度的突变现象。如在二档、三档切换时,主动电机要加速,制动的电机要减小制动力,这个过程在瞬间完成,就特别容易打齿。
(2)能耗大。由于使用能耗制动,向电网吸收的能量在低速时是很大的,一部分电能消耗两台电机的本身能量损耗上,一部分能量消耗在启动调速电阻上,一部分用于电机输出动能。前两部分的能量都是做的无用功(约占70%)。
(3)电控部分复杂,接触器常烧死,维修不方便。由于实现这种调速方式需要复杂的主电路的切换,所以要求有繁琐的控制线路动作配合,每一个电路及触点发生故障,都会产生严重的不良后果。如烧电机、打齿轮、切断电机轴、使接触器触点严重烧坏等等故障。因此对接触器有严格的要求,必须经常检查,确保可靠运行,所以接触器更换较为频繁。同时电路出现不可预测的故障还是很多的。
(4)烧电机。主要是因为电机长期工作在额定负载之下,虽然我们并没有起吊大吨位的重物,但是在低速时,两台电机同时输入很大的电流,主动电机为120A交流电,制动电机为100A直流电。这样大的电流,在很短的时间内就会使电机发热。这样大的电流在电机的绕组内也会产生很大的电磁力。这两个原因会加速电机绝缘的老化。这也是造成此类塔吊烧电机的根本原因。
综上所诉有必要对控制系统进行改造。
随着变频技术的不断发展,不断地被人们认识,它以绝对的优势超越了其他的任何调速方案,其优点数不胜数,如:零速抱闸,对制动器无磨损;任意低的就位速度,可用于精确吊装;速度的平滑过渡,对机构和结构件无冲击,提高了塔机的运行安全性;极低的起动电流,减轻了用户电网扩容的负担;几乎任意宽的调速范围,提高了塔机的工作效率;节能的调速方式,减少了系统运行能耗;单速的鼠笼电动机保证了机构的运行可靠性。
改用变频器技术可行性分析:
就现在的C7050塔吊改用变频器的技术问题经过简要计算,完全可以采用。
首先此设备在设计时所选用电机在最大吊重时为电机的额定输出转矩。此设备并没有超负荷使用电机。而现在的变频器在输出0.5Hz以上时就能使电机输出的转矩达到电机额定转矩的150%,因此我们担心的低速启动问题可以很好的解决。
在重物下降时的势能问题,在变频器外部加装制动单元、制动电阻,可以解决重物下降时的势能问题。
在低速时的电机发热问题,由于此时电机原来就是工作在大电流的情况之下,发热比较严重,改用变频器后在相同的情况之下,电机的发热现象会明显降低。
改用变频器后的经济分析:
可以降低维修费用,降低维修的频率。原配电箱使用F115进口接触器,每台价格2000多元,共使用10台,按每台寿命一年计算,更换接触器的费用为20000元,每年烧一台电机维修费用7000元,打齿一套5000元。合计的费用为32000元,这不包括维修的人工费用,误工费用,用车台班费用等等。在塔吊使用频率较高的情况下,维修的费用还会更高。
就目前了解的情况及变频器的价格,改装变频器的实际单台投资大约在6-8万元左右,大概
2年收回投资成本。
改造实例
某公司的C7050塔式起重机现场改造实例如下:
原系统参数。C7050最大载重20T,工作速度最低12.5m/min,最高50m/min。主提升机采用70RCS电控形式,两台绕线式交流异步电动机,四极51.5KW,工频供电。通过转子串入多级电阻的方式进行启动和调速,其中一个电机通入直流电进行能耗制动。控制部分采用F级大接触器实现转子串入,主回路频繁转换。
变频改造方案
方案本着兼顾经济性和实用性的原则,采用原系统电机及相关可用断路器、接触器,需增加的设备包括变频器及配套制动单元、电阻器、PLC机等。
(1)电动机极数和功率的校核。原系统采用4极51.5KW三相异步绕线式电动机,运行时互为能耗制动,驱动机的部分功率需抵消能耗制动所产生的力矩,所以电动机功率实际大于负载所需功率,因此改变控制方式后电动机的功率仍可满足使用要求。
一般变频器的最大功率值是以4极电动机为参照的,这是因为在电动机功率相同的情况下,同步转速较高的电动机具有较高的功率因素和较小的额定工作电流,这在一定程度上降低了对变频器容量的要求,而原系统电机正好为4极电动机,使用时,只要将其转子短接,即可由变频器进行调速。考虑该设备低速连续运行时间较短,所以不必设专用冷却风机。
(2)变频器的选取。现在市场上的国内外变频器品牌不少,控制水平和可靠性差别较大,技术上大体可分为V/F控制、矢量控制和DTC直接转矩控制三种。由于起重机起升机构负载为恒转矩负载,惯量较大,负载变化较大,属于位能性负载。为了获得快速的动态响应,实现对转矩的快速调节,获得理想的动态性能,所以应选用矢量控制方式、带低速转矩提升的电压型变频器(通用变频器)。
变频器容量的计算:
PCN≥3K1KUNIN10-3
ICN≥K1KIN
式中:
PCN ——变频器的额定容量(KVA)
K1 —— 容量补偿系数(通常取1.1-1.2)
K ——电流波形修正系数(通常取1.05-1.1)
UN ——电动机额定电压(V)
IN ——电动机额定电流(A)
ICN ——变频器额定电流(A)
查电动机参数可计算得PCN大于80.5KVA,且ICN大于122A
固变频器功率选用75KW。
(3)调速系统中其它器件的选择:变频调速系统是一个由变频器为核心的,与其它器件组合而成的调速控制系统。除了正确选用变频器之外,其它器件的正确选用对系统的合理性和可靠性也是至关重要的。相关的器件主要包括:断路器、制动单元、制动电阻。
(4)控制方案的确定。首先是系统采用开环或闭环控制的选择,作为一般的塔机起升机构拟采用开环控制方式,如果要构成闭环系统,一定要有PG(编码器)、检测回路和连接线。这些环节加大了安装的复杂性;增加了系统成本。
其次是速度给定方式的选取,绝大多数的变频器都有多种速度输入方式。由于起重机采用联动控制台控制,所以采用开关量作为速度给定,为做到系统的结构简洁,我们采用PLC与变频器通信接口传送速度与控制指令,这样,控制柜内的连接线最少。
第三是速度的给定:由于普通4极电机可在频率为25～75HZ范围长期运行,所以我们将几个档位分别确定为6HZ、20HZ、35HZ、50HZ、70HZ五个档位。其中一、二档作为低速就位档。
变频系统改造框图如图1:
图中,PLC接收到驾驶室传来的控制信号,通过内部轮换控制变频器的上升下降,五档速的给定;变频器收到PLC的信号控制着异步电动机的转速和转矩,同时变频器输出一个信号控制直流抱闸制动器,变频器会自动根据转矩的大小适时输出抱闸开闸信号到达不溜钩。卷扬机上下高度限制,速度限制,力矩限制,电机温度报警,超重限制等保护信号均回传给PLC,当出现保护器件动作后,PLC及时停止系统输出,以便操作人员处理。
改造后的效果
从改造后的运行情况来看,效果非常明显:
(1)系统采用5段速变频启动,启动冲击小,可以缓启缓停。由于采用单电机工作,没有了两电机时的切换动作,电机启动时对变速齿轮箱的冲击大大减少。提升机的启动,加速,减速,制动等过程平稳快速,负载的波动小,操作灵活稳定。
(2)制动方面,没有了两电机相互之间的能耗制动,电量消耗减少,单电机的运行电流根据负载的大小决定,只有原系统的三分一电流。变频器采用反馈制动,对提升机无任何冲击,无需电机来释能,电机的放热减小,年长寿命。
(3)新控制系统结构简单,没有了大量的接触器和继电器,故障点减少,方便操作人员检修。变频器和PLC都是稳定可靠的产品,减少了维修成本,提高了生产效率。
(4)变频器拥有完善的电流、电压、力矩、转速、方向等检测记忆功能,这是原系统不具备的,技术人员可根据定期的勘查数据发现问题及时处理,解除安全隐患。
使用变频器的注意问题
(1)为了保证主提升机安全可靠的运行,变频器出现故障后,为了防止溜钩,要设置自动给出直流抱闸的信号,直到下次正常运行起来后打开抱闸。
(2)保持变频控制柜的通风顺畅,由于变频器本身发热,高温度会降低变频器寿命。定期清理变频器内的粉尘,保持干净。
结束语
实际运行证明,固定塔式起重机采用变频控制方案,具有简单,可靠,平稳,高效,节能,保护功能齐全(过电流、过电压、欠压、接地、过热、短路),是自动化控制的理想选择。完美的替代的原有的传统控制模式,具有普遍的推广价值。
参考文献
[1] 张燕宾 变频调速应用实践 北京:机械工业出版社,2002
[1] 裘为章 实用起重机电气技术手册 北京:机械工业出版社,2001
[文章编号]1006-7619(2010)12-22-1021
【关键词】固定式塔机;变频器;能耗制动
Change the Pin technique be fix type tower on board of application
Yang Xue-an
(Fuxun Medium the Yu construction(group) limited liability company Fuxun Liaoning 113000)
【Abstract】This article introduces inverter'reforming solution and application effects to the hoister of tower crane and the attentions at the reforming scenery.
【Key words】Tower Crane;Inverter;Brake
1. 引言
四川建筑机械集团公司生产的C7050塔式起重机是我国上世纪八十年代引进法国波坦公司技术生产的塔式起重机,也是目前我国应用较多的塔机品种。我们知道起重机主提升机的工作特点需要:启动速度慢,转矩大,加速平滑,停车平稳,准确。为达到这一目的,7050塔机主提升机构采用双电机相互能耗制动调速。因此出现的弊病有:能耗大、对控制线路要求高、对接触器的要求高、容易出现打齿轮、烧电机等现象。某公司所购C7050塔机在中钢项目部现场就曾接连出现打齿轮、电机断轴等故障,先后三次分别更换了齿轮、减速器、电机。综合分析原设计缺陷原因主要是:
(1)打齿现象。C7050机械发生打齿现象,有一部分是因为电器控制部分相互切换而造成的,在电路工作正常的情况下,在变档过程中,电机的速度变化是很快的,这种快速的切换,对齿轮的冲击力是比较大的,尤其是在四档、五档相互切换过程中,速度变化最大,对电机、对齿轮的影响也是最大的。因此我们现在运行的此类塔吊有很多都是把五档拆下运行,以避免烧电机、打齿轮。这样可以很大程度的降低烧电机、打齿轮的情况。在其它的档位也存在能量与速度的突变现象。如在二档、三档切换时,主动电机要加速,制动的电机要减小制动力,这个过程在瞬间完成,就特别容易打齿。
(2)能耗大。由于使用能耗制动,向电网吸收的能量在低速时是很大的,一部分电能消耗两台电机的本身能量损耗上,一部分能量消耗在启动调速电阻上,一部分用于电机输出动能。前两部分的能量都是做的无用功(约占70%)。
(3)电控部分复杂,接触器常烧死,维修不方便。由于实现这种调速方式需要复杂的主电路的切换,所以要求有繁琐的控制线路动作配合,每一个电路及触点发生故障,都会产生严重的不良后果。如烧电机、打齿轮、切断电机轴、使接触器触点严重烧坏等等故障。因此对接触器有严格的要求,必须经常检查,确保可靠运行,所以接触器更换较为频繁。同时电路出现不可预测的故障还是很多的。
(4)烧电机。主要是因为电机长期工作在额定负载之下,虽然我们并没有起吊大吨位的重物,但是在低速时,两台电机同时输入很大的电流,主动电机为120A交流电,制动电机为100A直流电。这样大的电流,在很短的时间内就会使电机发热。这样大的电流在电机的绕组内也会产生很大的电磁力。这两个原因会加速电机绝缘的老化。这也是造成此类塔吊烧电机的根本原因。
综上所诉有必要对控制系统进行改造。
随着变频技术的不断发展,不断地被人们认识,它以绝对的优势超越了其他的任何调速方案,其优点数不胜数,如:零速抱闸,对制动器无磨损;任意低的就位速度,可用于精确吊装;速度的平滑过渡,对机构和结构件无冲击,提高了塔机的运行安全性;极低的起动电流,减轻了用户电网扩容的负担;几乎任意宽的调速范围,提高了塔机的工作效率;节能的调速方式,减少了系统运行能耗;单速的鼠笼电动机保证了机构的运行可靠性。
改用变频器技术可行性分析:
就现在的C7050塔吊改用变频器的技术问题经过简要计算,完全可以采用。
首先此设备在设计时所选用电机在最大吊重时为电机的额定输出转矩。此设备并没有超负荷使用电机。而现在的变频器在输出0.5Hz以上时就能使电机输出的转矩达到电机额定转矩的150%,因此我们担心的低速启动问题可以很好的解决。
在重物下降时的势能问题,在变频器外部加装制动单元、制动电阻,可以解决重物下降时的势能问题。
在低速时的电机发热问题,由于此时电机原来就是工作在大电流的情况之下,发热比较严重,改用变频器后在相同的情况之下,电机的发热现象会明显降低。
改用变频器后的经济分析:
可以降低维修费用,降低维修的频率。原配电箱使用F115进口接触器,每台价格2000多元,共使用10台,按每台寿命一年计算,更换接触器的费用为20000元,每年烧一台电机维修费用7000元,打齿一套5000元。合计的费用为32000元,这不包括维修的人工费用,误工费用,用车台班费用等等。在塔吊使用频率较高的情况下,维修的费用还会更高。
就目前了解的情况及变频器的价格,改装变频器的实际单台投资大约在6-8万元左右,大概
2年收回投资成本。
改造实例
某公司的C7050塔式起重机现场改造实例如下:
原系统参数。C7050最大载重20T,工作速度最低12.5m/min,最高50m/min。主提升机采用70RCS电控形式,两台绕线式交流异步电动机,四极51.5KW,工频供电。通过转子串入多级电阻的方式进行启动和调速,其中一个电机通入直流电进行能耗制动。控制部分采用F级大接触器实现转子串入,主回路频繁转换。
变频改造方案
方案本着兼顾经济性和实用性的原则,采用原系统电机及相关可用断路器、接触器,需增加的设备包括变频器及配套制动单元、电阻器、PLC机等。
(1)电动机极数和功率的校核。原系统采用4极51.5KW三相异步绕线式电动机,运行时互为能耗制动,驱动机的部分功率需抵消能耗制动所产生的力矩,所以电动机功率实际大于负载所需功率,因此改变控制方式后电动机的功率仍可满足使用要求。
一般变频器的最大功率值是以4极电动机为参照的,这是因为在电动机功率相同的情况下,同步转速较高的电动机具有较高的功率因素和较小的额定工作电流,这在一定程度上降低了对变频器容量的要求,而原系统电机正好为4极电动机,使用时,只要将其转子短接,即可由变频器进行调速。考虑该设备低速连续运行时间较短,所以不必设专用冷却风机。
(2)变频器的选取。现在市场上的国内外变频器品牌不少,控制水平和可靠性差别较大,技术上大体可分为V/F控制、矢量控制和DTC直接转矩控制三种。由于起重机起升机构负载为恒转矩负载,惯量较大,负载变化较大,属于位能性负载。为了获得快速的动态响应,实现对转矩的快速调节,获得理想的动态性能,所以应选用矢量控制方式、带低速转矩提升的电压型变频器(通用变频器)。
变频器容量的计算:
PCN≥3K1KUNIN10-3
ICN≥K1KIN
式中:
PCN ——变频器的额定容量(KVA)
K1 —— 容量补偿系数(通常取1.1-1.2)
K ——电流波形修正系数(通常取1.05-1.1)
UN ——电动机额定电压(V)
IN ——电动机额定电流(A)
ICN ——变频器额定电流(A)
查电动机参数可计算得PCN大于80.5KVA,且ICN大于122A
固变频器功率选用75KW。
(3)调速系统中其它器件的选择:变频调速系统是一个由变频器为核心的,与其它器件组合而成的调速控制系统。除了正确选用变频器之外,其它器件的正确选用对系统的合理性和可靠性也是至关重要的。相关的器件主要包括:断路器、制动单元、制动电阻。
(4)控制方案的确定。首先是系统采用开环或闭环控制的选择,作为一般的塔机起升机构拟采用开环控制方式,如果要构成闭环系统,一定要有PG(编码器)、检测回路和连接线。这些环节加大了安装的复杂性;增加了系统成本。
其次是速度给定方式的选取,绝大多数的变频器都有多种速度输入方式。由于起重机采用联动控制台控制,所以采用开关量作为速度给定,为做到系统的结构简洁,我们采用PLC与变频器通信接口传送速度与控制指令,这样,控制柜内的连接线最少。
第三是速度的给定:由于普通4极电机可在频率为25～75HZ范围长期运行,所以我们将几个档位分别确定为6HZ、20HZ、35HZ、50HZ、70HZ五个档位。其中一、二档作为低速就位档。
变频系统改造框图如图1:
图中,PLC接收到驾驶室传来的控制信号,通过内部轮换控制变频器的上升下降,五档速的给定;变频器收到PLC的信号控制着异步电动机的转速和转矩,同时变频器输出一个信号控制直流抱闸制动器,变频器会自动根据转矩的大小适时输出抱闸开闸信号到达不溜钩。卷扬机上下高度限制,速度限制,力矩限制,电机温度报警,超重限制等保护信号均回传给PLC,当出现保护器件动作后,PLC及时停止系统输出,以便操作人员处理。
改造后的效果
从改造后的运行情况来看,效果非常明显:
(1)系统采用5段速变频启动,启动冲击小,可以缓启缓停。由于采用单电机工作,没有了两电机时的切换动作,电机启动时对变速齿轮箱的冲击大大减少。提升机的启动,加速,减速,制动等过程平稳快速,负载的波动小,操作灵活稳定。
(2)制动方面,没有了两电机相互之间的能耗制动,电量消耗减少,单电机的运行电流根据负载的大小决定,只有原系统的三分一电流。变频器采用反馈制动,对提升机无任何冲击,无需电机来释能,电机的放热减小,年长寿命。
(3)新控制系统结构简单,没有了大量的接触器和继电器,故障点减少,方便操作人员检修。变频器和PLC都是稳定可靠的产品,减少了维修成本,提高了生产效率。
(4)变频器拥有完善的电流、电压、力矩、转速、方向等检测记忆功能,这是原系统不具备的,技术人员可根据定期的勘查数据发现问题及时处理,解除安全隐患。
使用变频器的注意问题
(1)为了保证主提升机安全可靠的运行,变频器出现故障后,为了防止溜钩,要设置自动给出直流抱闸的信号,直到下次正常运行起来后打开抱闸。
(2)保持变频控制柜的通风顺畅,由于变频器本身发热,高温度会降低变频器寿命。定期清理变频器内的粉尘,保持干净。
结束语
实际运行证明,固定塔式起重机采用变频控制方案,具有简单,可靠,平稳,高效,节能,保护功能齐全(过电流、过电压、欠压、接地、过热、短路),是自动化控制的理想选择。完美的替代的原有的传统控制模式,具有普遍的推广价值。
参考文献
[1] 张燕宾 变频调速应用实践 北京:机械工业出版社,2002
[1] 裘为章 实用起重机电气技术手册 北京:机械工业出版社,2001
[文章编号]1006-7619(2010)12-22-1021