CN101081676A - 一种调频施工升降机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种调频施工升降机，包括吊笼、传动机构、导轨架，在吊笼上还安装有变频调速开环矢量控制系统，在变频调速开环矢量控制系统内设有升压变频器；控制方法为采用开环矢量控制方法，包括磁通恒定达到设计值，即电机气隙磁场达到临界饱和状态，为了保持磁通恒定，变频器的输出电压与电机转速成正比，也就是通过开环矢量控制系统的升压变频器控制，输出电压为电机额定电压的0～

倍，实际输出功率为电机额定功率的0～

倍；在磁通矢量控制下，通过变频器的制动控制逻辑直接控制电磁制动；优点是提高了电机功率及转速，从而提高施工升降机的施工效率；减小了电压压降，可省去现场升压变压器的配置；可以保证升降机运行的平稳性。

Description

一种调频施工升降机及其控制方法

技术领域：

本发明涉及一种施工升降设备及其控制方法，特别是涉及一种调频施工升降机及其控制方法。

技术背景：

随着国民经济的高速发展，施工升降机开始在越来越多的建筑领域发挥着巨大的作用。特别是对于大工程、高层建筑等，施工升降机的作用显得尤为重要。然而，由于生产水平的不断进步，为了提高生产率、节约劳动时间、节省能源，人们对升降机的性能、效率、节能要求也越来越高。目前，普通施工升降机通常采用电机驱动，电机间的接线方式采用星型接法，电机采用开环V/F控制系统；这种施工升降机的特点是电机总在额定功率下工作，然而，在施工过程中，即使正常使用，施工升降机的载重量随着需要是不断变化的，当施工升降机的载重量小于其额定载重量时，升降机的使用功率就达不到到额定功率，而现有的施工升降机总在额定功率下工作，这在一定程度范围内浪费了能源。如目前施工升降机通常的做法是用一台变频器驱动三台起重专用电机，这三台电机分别通过减速机后安装在垂直的同一齿条上；电机额定电压400V，额定频率50Hz，采用星形接法。还有，采用开环V/F控制系统，仅靠频率到达门槛控制制动器的启闭，在不同的载重下，难以达到平稳的起停效果，尤其是下降启动时经常有下沉的感觉。

现有的施工升降机，采用开环V/F控制方式；这种施工升降机的特点是电机总在额定功率下工作，然而，在施工过程中，即使正常使用，施工升降机的载重量随着需要是不断变化的，当施工升降机的载重量小于其额定载重量时，升降机的使用功率就达不到到额定功率，而现有的施工升降机总在额定功率下工作，这在一定程度范围内浪费了能源。还有，采用开环V/F控制方法，仅靠频率到达门槛控制制动器的启闭，在不同的载重下，难以达到平稳的起停效果，尤其是下降启动时经常有下沉的感觉。

发明内容：

本发明的第一个目的是提供一种在不改变额定载重、额定运行速度的情况下、实现小功率电机大功率输出、在不同载重时电机有不同的输出功率、以节省能源且起动，停止和运行更平稳的调频施工升降机。

本发明的第二个目的是提供一种在不改变额定载重、额定运行速度的情况下、实现小功率电机大功率输出、在不同载重时电机有不同的输出功率、以节省能源且起动，停止和运行更平稳的调频施工升降机的控制方法。

一种调频施工升降机，包括吊笼、传动机构、导轨架，在吊笼上还安装有改变频率、使在不同载重时电机有不同的输出功率的变频调速开环矢量控制系统，在变频调速开环矢量控制系统内设有升压变频器；根据磁通矢量控制的原理，变频器驱动电机时，满足下述两个公式：

T＝C_T*Φ_m*I_a    (1)

式中T为电机输出转矩，

CT为电机的转矩系数，由电机的结构决定，

Φ_m为电机的气隙磁通(下称磁通)，

I_a为电机的有功电流；

U≈E＝C_E*Φ_m*n    (2)

式中U为变频器输出电压即电机电压，

E为电机的反电动势，与电机电压U平衡，

n为电机转速。

从(1)式中看出，为了充分发挥电机转矩性能，必须保持磁通恒定达到设计值(电机气隙磁场达到临界饱和状态)，这样，若在额定转速(频率)以内，输出转矩与电机电流成正比，其连续值的上限总能达到额定转矩，实现恒转矩输出。变频器的过载转矩能力与电机和变频器的电流过载能力相关。

从(2)式看出，为了保持磁通恒定，必须保证变频器的输出电压与输出频率成正比，否则电机将不能正常工作或不能发挥其输出性能。在电机额定电流不变的情况下，如果提高对电机的输出电压，同时成比例地提高对电机的输出频率，输出转矩得到保证。这样就相当于拓展了电机的恒转矩输出范围，增大了电机的输出功率。

采用变频器，可以在连接多台并联的电机时，采用磁通矢量控制，并结合其严密的制动控制逻辑功能，不论是上升还是下降，载重多少，都可以平稳地起动，停止和运行。

作为改进，传动系统的电机为三角形接线结构。该升降机改变传统的施工升降机电机主要采用Y型接线的方式，而采用△型的接线方式，使传动系统在50～87Hz范围内具有恒定的转矩，原因如下：标准的电机具有特定的额定工作点，电机在频率额定值时产生额定转矩，而传统的电机都采用星型接线方式，其额定频率为50Hz，由于在更高的频率下电压不再增大，因此，在频率大于额定值时的输出转矩减少，且磁通量降低，而采用△型的接线方式时，电机频率可为87Hz，只有当频率大于其额定频率时，其输出转矩才会减小，在50～87Hz之间，电机的输出转矩是恒定的，此时改变减速机的速比，可以达到更高的运行速度。由于升降机采用变频调速开环矢量控制系统，在其他参数不改变的情况下，通过改变传统的星型电机的接线方式，采用Δ型接线方式，使在转矩稳定的情况下增大速度，提高电机的输出功率

倍，即在额定载重时两个11kw电机的输出功率为 $22\×\sqrt{3}=38.1\mathrm{kw},$ 完全满足载重量为2T，运行速度为36米/分钟升降机的使用要求，变频调速系统改变以往的开环V/F控制，采用开环矢量控制，根据P＝FV，使升降机在不同载重时有不同的电机输出功率，在不同程度上节约了能源。

例如在本应用中，电机的标称额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定电流41A，额定转速1367rpm，额定功率11KW(

)，而变频器中的电机铭牌参数改成400V，87Hz，采用ATV71变频器驱动，进线电压400V则其恒转矩输出转速范围可提高至2600rpm，这样电机的额定功率也增大到18.5KW。

相应地，若电机额定频率为60Hz，其恒转矩频率范围可提高至104Hz。

这样，原来采用三台400V，11KW电机和减速机驱动的升降机，现在可以通过两台230V，11KW的电机和减速机驱动。为保持原来的线速度，需要将减速机的减速比增加为原来的1.7倍。

作为改进，这里电机转速n又可表示为

$n=(1-s)\frac{60f}{p}---\left(3\right)$

式中

s  为电机的滑差率，对变频电机，s＝0.01-0.05

p  为电机的极对数，如1，2，3，…

f  为变频器的输出频率即电机频率。

作为上述方案的共同改进，导轨架安装在地基上，吊笼安装在导轨架上，在导轨架上设有齿条，传动系统包括电机、减速机构，在减速机构内设有小齿轮，传动系统安装在吊笼的顶部，减速机构的小齿轮与导轨架的齿条啮合。本发明的施工升降机，采用将传动系统安装在吊笼顶部的齿轮齿条传动机构，改变了以往大吨位施工升降机必须采用对重的形式，既减轻了施工升降机的自身重量，又不影响施工升降机的额定承载能力和运行速度，而且安装、拆卸、维护过程都简单，易于操作。

作为进一步改进，电机的个数为两个，功率为11kw。这改变了以往相同载重、相同速度施工升降机必须采用3个电机(3×11KW)的形式，采用变频器后，采用的电机△型接法的额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定转速为1400转每分(经过滑差补偿到1500转每分)。用变频器控制后，在电网电压为380V时，可以将电机的额定工作电提高到额定电压为380V，额定频率为86.6Hz，额定转速达2600转每分，额定电流不变，输出扭矩不变。这样电机的实际可输出功率提高了近80％。原来采用三套电机和减速机的应用，现在可以用两套驱动。

作为进一步改进，调频施工升降机的载重量为0～2000千克/笼，运行速度为0～46米/分钟。

一种调频施工升降机的控制方法，变频调速开环矢量控制系统采用开环矢量控制方法，包括升降机通过开环矢量控制系统的升压变频器控制，变频器驱动电机时，磁通恒定达到设计值，即电机气隙磁场达到临界饱和状态，在额定转速以内，输出转矩与电机的有功电流成正比；为了保持磁通恒定，变频器的输出电压与电机转速成正比；在磁通矢量控制下，通过变频器的制动控制逻辑直接控制电磁制动。

作为改进，传动系统的电机为三角形接线结构；在电机额定电流不变的情况下，输出电压为电机额定电压的

倍，实际输出功率为电机额定功率的倍。

作为改进，电机的转速n与频率f之间的关系为

$n=(1-s)\frac{60f}{p},$

式中

s  为电机的滑差率，对变频电机，s＝0.01-0.05，

p  为电机的极对数，如1，2，3，……

f  为变频器的输出频率即电机频率。

作为改进，电机个数为两个，额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定功率为11KW、额定转速为1370转/分钟，通过400V供电的变频器控制，允许施加0-400V的电压，同时恒转矩段延伸到87Hz，转速为2468转/分，每个电机的实际输出功率达18.5KW。

本发明的有益效果是，提高了电机功率及转速，从而提高施工升降机的施工效率；减小了电压压降，可省去现场升压变压器的配置；采用开环磁通矢量控制和抱闸逻辑，并进行多组启停参数的设置，可以保证升降机运行的平稳性，具有安全、可靠、结构简单、高效率、适用范围更加广泛的优点。

附图说明：

图1是本实用新型的主体结构图。

图2是电机V/F曲线恒转矩段延伸示意图

图3是电机的接线方式的示意图。

具体实施方式：

如图1所示，一种施工升降机，包括外笼1、吊笼2、传动机构3、导轨架4、变频调速开环矢量控制系统5、安全装置，在变频调速开环矢量控制系统内设有型号为ATV71的升压变频器，导轨架4安装在地基上，吊笼2安装在导轨架4上，导轨架4穿过吊笼2，在靠近吊笼2底部吊笼2的四个侧边上围有外笼1，在吊笼2顶部的周边安装有围栏7，传动系统包括电机(未示出)、减速机构(未示出)，减速机构包括最后一级输出的传动小齿轮(未示出)，在吊笼2上还安装有吊杆8，在导轨架4上设有齿条9，传动系统安装在吊笼2的顶部，传动系统通过减速机构的小齿轮与导轨架4的齿条9啮合，变频调速系统5安装在吊笼2上。

其运行方式为：升降机的传动机构3安装在吊笼2顶部，当升降机运行时，安装在传动机构3上的电机、减速机运转，而减速机上的小齿轮与安装在导轨架4上的齿条9相啮合，齿轮在运转的过程中沿着齿条9上下运行，从而带动升降机吊笼2运行。

根据磁通矢量控制的原理，变频器驱动电机时，满足下述两个公式：

T＝C_T*Φ_m*I_a               (1)

式中T为电机输出转矩，

CT为电机的转矩系数，由电机的结构决定，

Φ_m为电机的气隙磁通(下称磁通)，

I_a为电机的有功电流；

U≈E＝C_E*Φ_m*n    (2)

式中U为变频器输出电压即电机电压，

E为电机的反电动势，与电机电压U平衡，

n为电机转速。

电机的转速n与频率f之间的关系为

$n=(1-s)\frac{60f}{p},$

式中

s  为电机的滑差率，对变频电机，s＝0.01-0.05，

p  为电机的极对数，如1，2，3，……

f  为变频器的输出频率即电机频率。

如图3所示，电机采用△型的接线方式，使传动系统在50～87Hz范围内具有恒定的转矩。

如图2所示，电机的标称额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定电流41A，额定转速1367rpm，额定功率11KW(

)，而变频器中的电机铭牌参数改成400V，87Hz，采用ATV71变频器驱动，进线电压400V则其恒转矩输出转速范围可提高至2600rpm，这样电机的额定功率也增大到18.5KW。

一种调频施工升降机的控制方法，变频调速开环矢量控制系统采用开环矢量控制方法，包括通过开环矢量控制系统的升压变频器控制，变频器驱动电机时，磁通恒定达到设计值，即电机气隙磁场达到临界饱和状态，在额定转速以内，输出转矩与电机的有功电流成正比；为了保持磁通恒定，变频器的输出电压与电机转速成正比；在磁通矢量控制下，通过变频器的制动控制逻辑直接控制电磁制动；传动系统的电机为三角形接线结构，这样，在电机额定电流不变的情况下，输出电压为电机额定电压的

倍，实际输出功率为电机额定功率的

倍；对于电机个数为两个，额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定功率为11KW、额定转速为1370转/分钟，通过400V供电的变频器控制，可以允许施加0-400V的电压，同时恒转矩段延伸到87Hz，转速为2468转/分，电机的实际输出功率为18.5KW，这样施工升降机的载重量可达2000千克/笼，运行速度可达46米/分钟。

Claims (10)

1、一种调频施工升降机，包括吊笼、传动机构、导轨架，其特征在于：在吊笼上还安装有改变频率、使在不同载重时电机有不同的输出功率的变频调速开环矢量控制系统，在变频调速开环矢量控制系统内设有升压变频器；根据磁通矢量控制的原理，变频器驱动电机时，必须同时满足下述两个公式：

T＝C_T*Φ_m*I_a，

式中T为电机的输出转矩，

C_T为电机的转矩系数，由电机的结构决定，

Φ_m为电机的气隙磁通，

I_a为电机的有功电流；

U≈E＝C_E*Φ_m*n，

式中U为变频器输出电压即电机电压，

C_E为电机的电动势系数，由电机的结构决定，

E为绕组中的反电动势，与U相平衡，

n为电机的转速。

2、如权利要求1所述的一种调频施工升降机，其特征在于：传动系统的电机为三角形接线结构。

3、如权利要求2所述的一种调频施工升降机，其特征在于：电机的转速n与频率f之间的关系为

$n=(1-s)\frac{60f}{p},$

式中

s为电机的滑差率，对变频电机，s＝0.01-0.05，

p为电机的极对数，如1，2，3，……

f为变频器的输出频率即电机频率。

4、如权利要求1至3任意项所述的一种调频施工升降机，其特征在于：导轨架安装在地基上，吊笼安装在导轨架上，在导轨架上设有齿条，传动系统包括电机、减速机构，在减速机构内设有小齿轮，传动系统安装在吊笼的顶部，减速机构的小齿轮与导轨架的齿条啮合。

5、如权利要求4所述的一种调频施工升降机，其特征在于：电机的个数为两个，功率为11kw。

6、如权利要求5所述的一种调频施工升降机，其特征在于：调频施工升降机的载重量为0～2000千克/笼，运行速度为0～46米/分钟。

7、一种如权利要求1所述的调频施工升降机的控制方法，其特征在于：变频调速开环矢量控制系统采用开环矢量控制方法，包括升降机通过开环矢量控制系统的升压变频器控制，变频器驱动电机时，磁通恒定达到设计值，即电机气隙磁场达到临界饱和状态，在额定转速以内，输出转矩与电机的有功电流成正比；为了保持磁通恒定，变频器的输出电压与电机转速成正比；在磁通矢量控制下，通过变频器的制动控制逻辑直接控制电磁制动。

8、如权利要求7所述的一种调频施工升降机的控制方法，其特征在于：传动系统的电机为三角形接线结构；在电机额定电流不变的情况下，输出电压为电机额定电压的

倍，实际输出功率为电机额定功率的

倍。

9、如权利要求8所述的一种调频施工升降机的控制方法，其特征在于：电机的转速n与频率f之间的关系为

$n=(1-s)\frac{60f}{p},$

式中

s为电机的滑差率，对变频电机，s＝0.01-0.05，

p为电机的极对数，如1，2，3，……

f为变频器的输出频率即电机频率。

10、如权利要求9所述的一种调频施工升降机的控制方法，其特征在于：电机个数为两个，额定电压为230V，额定频率为50Hz，额定功率为11KW、额定转速为1370转/分钟，通过400V供电的变频器控制，允许施加0-400V的电压，同时恒转矩段延伸到87Hz，转速为2468转/分，每个电机的实际输出功率达18.5KW。

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