变频器在塔式起重机回转机构自动控制中应用-

论文导读：情况下，均衡增加速度，使电机发挥最大效率，同时，塔身结构承受平稳的扭力。(3)跟随操作手柄的指令，加减速过程平稳转换。平稳减少速度，使变频器在不过流的情况下平稳制动而不至发生扭摆震动。(4)在回转机构停车时，按照最佳停车曲线运行，确保停车时起重臂和塔身不会产生震动。(5)点动就位过程：点动就位时需要特殊处
摘要：塔机回转机构的控制在整个塔机的控制中属于复杂性和难度较高的部分，本文在分析塔机回转机构常用的控制方式的基础上，根据实际应用的经验，对于变频器在回转机构控制中的应用方法，进行了较为详细的探讨。
关键词：塔式起重机回转机构变频器
1007-9416(2012)07-0017-02
塔式起重机（以下简称塔机）回转机构的控制在整个塔机的控制中属于复杂性和难度较高的部分，回转机构的控制具有下列特点：
(1)回转机构要带动起重臂、平衡臂以及吊重等转动，所有转动部件的质量大，惯性大，因此要求电机所承受的加速度不能太大，否则将导致电机过载。另一方面电机的启动、制动不能过猛，否则将导致塔身承受应力过大，钢结构因疲劳加快损坏速度；
(2)由于起重大臂非常长，风阻影响较大，当吊挂重物转动时，重物也会发生摇摆，这些因素导致负载极不稳定；
(3)由于起重大臂非常长，制动力矩作用不稳定时会出现大臂自身会的扭摆震动；
(4)由于前述原因，就位操作在响应及时性和准确性方面存在一定的难度。
塔机回转机构的上述运行特性，使得对其控制具有相当的复杂性，如何既准确又经济的控制塔机回转机构的运行，就成为一个重要的研究课题。

1、回转机构的常见形式及其控制特点

目前常见的回转机构和控制形式：
(1)转子串电阻分级调速。转子串电阻分级调速的方法在中小塔机上大量使用，其成本相对较低，一般具有4挡速度。这种形式虽然可以基本满足使用，但其换挡时仍有冲击，电机特性较软，能耗高，运行效率低。在实际使用中，制动和就位需要操作手频繁反打手柄来产生反向磁场。当增加涡流制动与其配合时，平稳性和操控性有一定改善。
(2)使用调压涡流控制器控制力矩电机进行无级调速。这种形式通过改变交流电压的方法来对电机进行调速，同时，在机构运转全过程中辅助对电机进行涡流制动。虽然这种方法使回转机构运行平稳，但全程施加涡流制动造成了能量的浪费，运行效率低。
(3)使用变频器驱动异步电动机进行无级调速。这种方法随着变频器成本的不断降低，已经越来越多的应用到塔机回转机构的调速中，总的来说，变频器的使用可以使机构运转发挥最大效率，同时又可以达到既节能又能避免对塔机结构的冲击。虽然有种种优势，但其维护相对复杂，对人员的要求较高，另外其控制比较复杂，目前塔机虽然使用了变频器，但还远没有达到理想的效果。

2、变频器驱动回转机构需要达到的控制效果

使用变频器驱动回转机构，使用普通鼠笼电机即可，变频器外配一个小型的制动电阻，结构配置简单，可以达到平稳、高效、节能的目的，具体的控制要求可以分解到以下目标中：
(1)在启动过程中，逐步增加启动力矩，使启动过程平稳；
(2)加速的过程中，在电机不产生过流的情况下，均衡增加速度，使电机发挥最大效率，同时，塔身结构承受平稳的扭力。
(3)跟随操作手柄的指令，加减速过程平稳转换。平稳减少速度，使变频器在不过流的情况下平稳制动而不至发生扭摆震动。
(4)在回转机构停车时，按照最佳停车曲线运行，确保停车时起重臂和塔身不会产生震动。
(5)点动就位过程：点动就位时需要特殊处理，以达到响应快，移动幅度适当，满足快速准确就位的要求。

3、变频器控制回转机构的系统构建

3.1 电机的选择

电机可选普通鼠笼异步电机。
如果单个电机功率小于10kW，额定转速大于1000转/分，则不需要带冷却风机，轴端风扇就可以达到电机冷却目的，否则，需要选择单独驱动的冷却风机。
一般回转机构的电机调速转速在工频以下运转就可以，如果需要超频，则需要选变频电机。
在实际控制中，使用涡流制动与变频驱动配合，可以更容易达到平稳运行的目的，因此，可以选用带涡流制动的变频电机。

3.2 变频器的选择

由于回转机构的控制不需要很精确，且中大型塔机一般配两套回转电机，因此，采用U/f控制方式即可，通常形式是一台变频器驱动一台或二台电机。
变频器功率根据电机功率确定，一般选择相等或者稍大于电机功率即可。

3.3 制动电阻器的选择

制动电阻器的选择有两个指标。
其功率的选择关系到制动热量的耗散。根据制动器的耗散功率应当完全吸收再生制动能量的原理，考虑到再生制动时的机械能的转换效率约为0.7，回转机构的制动频度约为30%，制动电阻的安全系数取

1.4，则电阻器的制动功率约为0.3倍的电机额定功率。

其电阻的选择关系到制动力矩的大小，尤其关系到制动力的稳定性，选择的过小，则制动力矩过大，一方面会产生变频器过流故障，另一方面制动斩波器间歇工作，制动力间歇起作用，从而使被制动的大臂发生抖动。当制动电阻选择过大，将导致再生能量无法及时耗散，使变频器的直流电压升高，能量回馈电网，同时变频器报过压的故障。所以，制动电阻的选取尤其要慎重。
制动单元的直流工作点一般为680-710V，一般取700V。根据电机再生电能必须被电阻完全吸收的原理，电机再生电能（瓦）=1000*P*k=电阻吸收功率（V*V/R），其中k为回馈机械能转换效率，约为0.7。可以得到制动电阻应为700/P，其中P的单位为kW。
变频器对其制动单元所配套的制动电阻都会规定一个最小限值，针对回转机构所选择的制动电阻值应参考700/P，并通过观察实际制动效果进行微调，以使之达到平稳制动的效果。

3.4 控制器的选择

控制器可选择通用的PLC，也可选择专用的控制器，控制器应具备开关量输入和输出以及模拟量输入和输出的功能。

3.5 系统的连接

挡位和机构限位信号以及采集速度指令的模拟量信号进入控制器输入端，控制器的输出端连接变频器的控制端子，电机连接变频器的源于：7彩论文网论文写法www.7ctime.com
输出端，制动电阻器连接变频器的制动单元。由于变频器会产生较多谐波噪声，所以，应注意防止变频器谐波对电网以及其他器件的干扰。如果变频器内部没有内置滤波器，应在变频器电源端增加滤波器。至变频器的控制回路以及至电机的驱动回路应使用屏蔽电缆，屏蔽层应单端接地。
3.6论文导读：试验出在变频器不过压的情况下加速度的上限值。停止过程中，先确定停止过程开始时的速度，然后试验出保证平稳停车的最快停止时间和相应曲线。4.5驱动指令的输出通过手柄指令的跟随程序，对操作手的操作意图进行判断后，形成正确的控制指令，发送给变频器执行。手柄指令的跟随，主要工作是计算两个时间点间手柄数
变频器参数的设置
变频器参数的设置要符合程序控制的需要。
由于控制实时性的需要，加速时间和减速时间不应该超过3秒。

4、变频器控制回转机构的实施方法

4.1 实施形式

变频器控制回转机构的方式主要有两种，一种是分挡分级调速，一种是无级调速。
分挡分级调速方式的输入手柄分4-5挡，变频输出速度分4-5级，形式上和常见的控制方式一样，操作习惯上和普通塔机较吻合，但是依然具有变频控制的种种优势，编程和接线也较为简单，不需要模拟量的输入和输出功能，其缺点是对回转运行过程的控制不够精确。
无级调速方式的输入手柄没有挡位感觉，输出速度通过模拟量给定，需要使用到控制器的模拟量输入和输出功能。
本文关于变频器控制回转机构的实施方法以无级调速方式为例进行阐述。

4.2 手柄指令的跟随程序

手柄通过所连接电位器将速度指令传递给控制器，由于每个人的操作经验和习惯存在差异，而且人为操作难免出现偏差，所以，手柄输入的指令必须经过加工处理，手柄指令的跟随程序的功能即是为了对手柄指令进行判断和过滤，以限制所有错误和非法的操作，并纠正操作中的偏差。例如，当手柄抖动时，输出应保持不变；当手柄急剧加速或减速时，输出应保持在限制的加速度之内。
手柄指令跟随程序首先定时采样手柄电位器的数值，然后对操作手的意图进行判断。判断的结果可以分为两种，第一种为点动，第二种为正常运行。
点动就是使回转机构进行微调的动作，点动的特征是手柄在一秒或者二秒之内就会回归零位。当程序判断手柄指令为点动操作时，就执行相应的点动执行程序。点动执行程序还可以根据点动时间的长短进行细分。
正常运行的过程包括起动、加速、运行、减速、停止几个中间动作过程，程序通过采样手柄电位器的数值，判断整个过程中操作手的动作意图，对抖动和随意的动作进行过滤，最后将经过处理的最终的指令序列发送给变频器执行。

4.3 确定点动过程的控制曲线

点动过程是微调的过程，需要响应时间快，同时由于其过程较短，可以允许变频器有较大的瞬时超载。
点动过程的试验吊载重量应达到80%以上，然后试验在变频器电流超载源于：7彩论文网论文致谢怎么写www.7ctime.com
不超过20%的情况下，分别得出加速过程和减速过程中最大的加速度值，最后确定点动控制曲线。

4.4 确定起动、加速、减速、停止过程的控制曲线

在系统构建完成后，通过试验确定各个过程的最佳运行曲线。
由于吊载的重量与回转的加速度有一定的关系，通常情况下程序会根据吊载的重量对运行速度进行限制，所以试验过程中，可以通过吊载50%的重量，进行各种过程曲线的试验。
启动过程中，先确定启动过程要达到的目标速度，然后试验出在变频器电流超载不超过10%的情况下，最短的启动时间及对应的曲线，得到加速度的上限值。
加速过程中，试验出在变频器电流不超载的情况下加速度的上限值。
减速过程中，试验出在变频器不过压的情况下加速度的上限值。
停止过程中，先确定停止过程开始时的速度，然后试验出保证平稳停车的最快停止时间和相应曲线。

4.5 驱动指令的输出

通过手柄指令的跟随程序，对操作手的操作意图进行判断后，形成正确的控制指令，发送给变频器执行。
手柄指令的跟随，主要工作是计算两个时间点间手柄数值的增加量或减少量，其对应的意义是操作手对于回转机构运行的加速度要求。
控制指令的输出，主要工作是根据操作手的操作意图，参照相应的控制曲线，形成适当的对应于一定加速度的速度指令序列，发送给变频器执行。加速度的值应小于等于试验时的上限值，否则，变频器在加速时可能过载，在减速时可能过压。
5、结语
塔机回转机构的运行状况复杂，如何快速、准确的对其进行控制，使其效率达到最高，同时又达到节能、经济的目的，使用变频器控制是一个最好的选择，但是在实际的控制中，需要对每一个控制细节制定专门的控制方案，控制的过程相对复杂。
通过变频器在塔机回转机构控制中的应用实践，使这种最佳控制方法的先进性和可行性得到证实，随着变频器成本的持续降低以及应用的普及，变频技术在塔机回转机构的控制中会成为最普遍的形式。
作者简介
丁少伟（1972年10月），男，本科，工程师，工程机械控制方向。