CN205241117U - 塔机回转机构变频调速控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种塔机回转机构变频调速控制系统，控制系统包括联动台、限位信号采集装置、PLC控制器和变频器；其中：所述限位信号采集装置、变频器分别与PLC控制器相连，所述变频器分别与联动台和回转机构的回转电机连接，所述联动台、变频器、回转机构的回转电机、减速机和回转支承构成一个顺控回路。与现有技术相比，本实用新型的优点是：采用电流控制无级调速方式，使塔机回转机构在司机操控下，可以平滑地从零速稳定地升到最高速度，从最高速度到零速调整也相同，这样就提高了塔机的整机工作效率和工作稳定性。

Description

塔机回转机构变频调速控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种塔机回转机构变频调速控制系统。

背景技术

目前，塔式起重机的回转机构是为塔机吊载行为改变作业旋转角度，增加作用范围提供水平旋转运动动力的传动装置，该装置主要由电机、减速箱、回转支承齿轮副、以及回转控制系统等构成，由于塔机回转带臂旋转范围大(通常旋转角度达2.5-3圈或者1080度)、转动惯量大运行速度变化快，在回转过程中对塔机产生的冲击比较大；且回转机构是塔机三大机构中工况最为复杂的一个，它不但受到吊重大小的影响，还要受到惯性力、风力的影响，特别是现在塔机起重臂设计得越来越长，所以对调速和控制系统的性能要求也就更高。回转机构常用的调速系统有：鼠笼式或绕线电机加液力耦合器，使起动、换速和停车减小冲击，但顺风时停车不方便，要打反车，这是最常用的一种调速方式；鼠笼式或绕线电机加涡流制动器，这种调速方式适用于一个回转机构上，对两个回转机构由于涡流制动器的特性差异较大，往往容易造成一个电机过载而损坏电机；鼠笼式电机加电磁联轴节(OMD)，采用调压调速，电机需采用力矩型电机定子调压或绕线电机转子串电阻方式。回转机构的特点是具有较大的惯性冲击，启动过快冲击大，停车和打反转都不允许过快过急，否则不仅运转不平稳，还会损坏机构。回转机构虽说都是相互独立，但却都是同样历经起动、加速、匀速、减速、慢就位的运行过程，为提高效率，操作者一般都会施以复合动作，如果传动方案及控制系统不科学合理、不协调匹配，势必会导致效率的低下，甚至还会影响设备的安全性。回转机构的调速性能直接影响塔机的整机工作稳定性；回转如果起动太快，或者减速太快都会使塔机发生较大振动，这样整个工作过程就不平稳，也让塔机司机情绪紧张，增加使用过程中的不安全因素。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术中的缺点，提供了一种塔机回转机构变频调速控制系统，采用电流控制无级调速方式，使塔机回转机构在司机操控下，可以平滑地从零速稳定地升到最高速度，从最高速度到零速调整也相同，这样就提高了塔机的整机工作效率和工作稳定性。

本实用新型的技术方案是：一种塔机回转机构变频调速控制系统，包括联动台、限位信号采集装置、PLC控制器和变频器；其中：所述限位信号采集装置、变频器分别与PLC控制器相连，所述变频器分别与联动台和回转机构的回转电机连接，所述联动台、变频器、回转机构的回转电机、减速机和回转支承构成一个顺控回路。

进一步地，所述PLC控制器与回转机构的涡流制动器连接。

进一步地，所述回转电机和减速机分别为两个，构成双电机驱动。

进一步地，所述联动台还设置有电流调速模块，用于将联动台的手柄位置信息转换为4-20mA的电流信号，通过变频器模拟量输入端进入变频器，变频器编码分别对应输出0-50Hz之间的不同频率。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

1、联动台控制手柄位置决定输出电流的大小，并直接控制变频器频率输出。

2、电源输入后经变频器频率可以按照要求改变。

3、无级调速：增加调速的平滑性，增大调速范围，调速精度高，效率快；变速平稳、无冲击，可以大大改善回转机构和钢结构的使用情况，提高了塔机的运行安全性。

4、启动电流低、变速时电流变化不大，对工地电网冲击小，减轻了用户电网扩容的负担，节电效果明显。

5、易于实现过程自动化控制。

6、可选择设定调速范围，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。

7、涡流单向制动，并且可以快速响应减速制动，和变频器减速双重配合，节能高效。

8、回转机构采用电流控制的变频调速可以设定比较低的就位速度，用于精确吊装。

附图说明

本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

一种塔机回转机构变频调速控制系统，如图1所示，包括：联动台1、限位信号采集装置2、PLC控制器3、变频器4、涡流制动器5、回转电机6、回转电机7、减速机8、减速机9、回转支承10；典型的双电机构造，其中：

限位信号采集装置2、变频器4分别与PLC控制器3相连，联动台1、变频器4、涡流制动器5、回转电机6、回转电机7、减速机8、减速机9、回转支承10构成一个顺控回路；回转电机6、回转电机7、减速机8、减速机9、回转支承10为回转机构(双电机驱动加涡流制动)。

所述限位信号采集装置2是塔机设备运行过程中用于采集塔机机构运行状态的行程及极限限位保护的行程限位开关信号的装置；其构成包括：带连轴器的齿轮系，凸轮组，行程开关；通过齿轮系的变比关系把被控制对象的运行行程情况反馈到凸轮运转上，用凸轮的转动位置撞击行程开关，行程开关触点动作(开或闭)传递信号给控制器；其工作原理是：将限位信号采集装置安装在预先安排的位置，当装于起重机械运动部件上或因受力发生形变运动的模块撞击行程开关时，行程限位开关的触点动作，实现电路的切换。因此，限位信号采集装置是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。限位开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程、进行终端限位保护。在塔机的回转控制电路中，用限位信号采集装置输入PLC，经PLC的逻辑运算控制输出回路来控制变频器输出，进而改变回转机构电机的速度，达到对回转机构的向右、向左限位保护作用和安全运行作用。

所述涡流制动器5是专门运用在塔机控制系统中控制回转电机涡流大小的装置。其工作原理如下：利用交直流整流原理，采用可靠的晶闸管电路，组成全波桥式结构，而通过对门极的控制能够使其导通；全波整流可以有效提升整流后的输出电压和输入电压的效率比，从而有效控制整流后的直流输出大小(即涡流大小)。先理解涡流的定义：由于当大块金属导体放在交变磁场中，金属中的自由电子会受到变化磁场产生的感应电动势的作用，从而在金属中形成涡流状的感应电流，成为涡旋电流，简称涡流。由楞次定律可知感应电流的效果总是反抗引起感应电流的原因，根据这个原理通过一些制动装置，形成制动效果。利用永磁体或电磁铁线圈产生电磁场,旋转导体在永磁体产生的磁场中做切割磁力线产生电涡流,电涡流在磁场下产生劳伦磁力,而劳伦磁力方向与导体运动方向相反。塔机回转电机电枢和电机高速轴连接，当回转电机顶部的电磁线圈通入直流电后，由于磁极存在，产生磁场，磁力线通过电枢，电枢随电机转动，切割磁力线，根据电磁感应原理，电枢中的涡流(电磁线圈通入的直流电)在励磁线圈所产生的磁场中运动(切割磁力线)，再根据带电导体在磁场中产生的作用力的原理，电枢就产生了与电机转矩相反的力矩。这样等于电机在运行时(只要涡流励磁)，就有一个“附加负载”力矩，对塔机回转电机起到涡流制动的效果。

所述联动台1还设置有电流调速模块，用于将联动台的手柄位置信息转换为4-20mA的电流信号，通过变频器模拟量输入端进入变频器，变频器编码分别对应输出0-50Hz之间的不同频率，从而使变频器带动回转电机运转，回转电机执行向右或者向左动作，实现回转电机的无级变速。

联动台手柄位置决定的电流调速模块的输出电流进入到变频器的模拟量输入端产生速度大小信号，即手柄位置决定的预期速度(此预期速度由司机操作人员根据现场情况需要操作联动台手柄位置决定)；当回转电机的实际转速低于联动台手柄位置决定的预期速度时，变频器继续增加频率输出，使回转电机的实际转速继续增加；最终当回转电机的实际转速和联动台手柄位置决定的预期速度一致时，变频器频率输出稳定并保持；并且这种保持的频率和联动台手柄的位置是吻合的。当PLC3检测到向右或者向左的方向指令时，结合限位信号采集装置2采集到的限位信号进行综合判断，PLC3向变频器4发出向右或者向左信号，变频器4带动回转电机6或7执行向右或者向左动作，这就是回转机构系统的顺控过程。

本实用新型的工作原理是：

第一，本控制系统在进行无级调速时，限位保护功能作用过程、运行过程如下：

上述的整个系统在使用过程中，一方面司机操作塔机起动、加速、匀速、减速、慢就位是塔机吊重进行回转操作必须经历的正确步骤，是一名合格的塔机司机必须熟练掌握的技能；另一方面，设定的塔机右限位和左限位是保证塔机长期稳定运行的关键环节，这是塔机设备必须的保护设置；在司机操作塔机向右或者向左运行过程中，触发限位信号采集装置2上的行程开关，限位信号采集装置2采集到位置限位信号右限位或者左限位并通过电路从PLC3信号输入端输入PLC3，PLC3通过内置的逻辑控制程序做如下比较判断：

当PLC3接收到限位信号采集装置2采集到的位置限位信号如向右限位或者向左限位，则PLC3内置程序判断正在向右或者向左动作马上停止，PLC3向右输出点或者向左输出点切断输出，PLC3向右输出点或者向左输出点接入到变频器的正反转方向输入端，变频器方向输入切断，变频器停止运行，变频器输出控制的回转电机停止运转。

回过来看运行过程，随着塔机司机操作联动台的手柄信号，给出向右或者向左指令；PLC接收到向右或者向左动作信号，PLC按照如下逻辑关系进行控制，再则判断联动台的手柄信号是向右或者向左增加或者减少的趋势变化；若是减少(即司机根据现场情况在向右或者向左操作过程中逐渐降低塔机大臂吊重回转的速度)，PLC程序比较判断后，控制接通涡流电路的输出点，涡流电路配合接通涡流线圈，涡流线圈构造符合电磁感应原理，涡流线圈电流感应产生电机电磁阻力力矩，可以在变频减速的基础上增加涡流减速作用，这样减速效果可靠且平稳；实现涡流单向制动(即在回转减速时加入涡流制动，加速时不加)并且可以快速响应减速制动，和变频器减速双重配合，节能高效。

通过上述的详解限位保护功能作用过程，运行过程；保障了塔机在正常使用过程中的安全运行。

本实用新型的塔机回转调速控制系统在工作过程中，联动台手柄位置决定的电流调速模块的输出电流进入到变频器的模拟量输入端产生的预期速度；当回转电机的实际转速低于预期速度时，变频器继续增加频率输出，使回转电机的实际转速继续增加；最终当回转电机的实际转速和预期速度一致时，变频器频率输出稳定并保持；并且这种保持的频率和联动台手柄的位置是吻合的。当PLC3检测到向右或者向左的方向指令时，结合限位信号采集装置2采集到的限位信号进行综合判断，PLC3向变频器4发出向右或者向左信号，变频器4带动回转电机6和回转电机7，6和7执行向右或者向左动作，这就是回转机构系统的顺控过程。

第二，本控制系统在进行无级调速时，塔机司机操作联动台手柄，经过电流调速模块发出(4-20mA)之间的不同电流，通过变频器模拟量输入端进入变频器，变频器编码分别对应输出0-50Hz之间的不同频率，变频器带动回转电机运转，回转电机执行向右或者向左动作，实现回转电机的无级变速，提高效率；具体体现在：恒转矩控制，而常用的V/F控制本质上就是恒转矩控制，V/F控制就是变频器输出频率与输出电压比值为恒定值或正比。根据电机原理可知，三相异步电机定子每相电动势的有效值：E1＝4.44f1N1Φm式中：E1--定子每相由气隙磁通感应的电动势的有效值，V；f1--定子频率，Hz；N1——定子每相绕组有效匝数；Φm-每极磁通量由式中可以看出，Φm的值由E1/f1决定，但由于E1难以直接控制，所以在电动势较高时，可忽略定子漏阻抗压降，而用定子相电压U1代替。那么要保证Φm不变，只要U1/f1始终为一定值即可。在额定转速一下调速时，希望保持电机中每极磁通量未额定值，如果磁通下降，则异步电机的电磁转矩将会减少，这样在基速以下调速时就会失去调速系统的恒转矩机械特性，这是基频以下调时速的基本情况，因此需要恒压频比(恒磁通)控制方式，属于恒转矩调速。基准频率为恒转矩调速区的最高频率，基准频率所对应的电压为即为基准电压，是恒转矩调速区的最高电压，在基频以下调速时，电压会随频率而变化，但两者的比值不变。V/F控制方式：变频器采用V/F控制方式时，对电机参数依赖不大，一般强调“空载电流”的大小。由于我们采用矢量化的V/F控制方式，故做电机参数静止自整定还是有必要的。不同功率段的变频器，自学习后的空载电流占额定电流大小百分比也是不同的。矢量化的V/F控制方式，就是在V/F控制时也将输入电流量进行解耦控制，使控制更加精确。变频器输出电流包括两个值：空载电流和力矩电流，输出电流I的值为空栽电流Im和力矩电流It平方和后开2次方。故空载电流是影响变频器输出电流的主要因素之一。V/F控制时输出电压与运行频率之比为一定值：即V/F＝K(K为常数)，该公式描述电动势和频率之间的恒比例关系。变频器在基频以下运行时，随着速度增快，可以输出恒定的转矩，速度增大不会影响转矩的输出，即为恒转矩输出。

本实用新型具有如下特点：

1、使用电流控制方式的联动台。增加电流调速模块的联动台，可以把联动台的手柄位置信息转换为4-20mA的电流信号，这些电流信号可以进入变频器的模拟量输入端信号，成为变频器速度指令信号。电流控制方式的联动台是塔机回转调速控制方法实施控制的必备条件之一，

2、根据回转机构工作要求编写PLC程序。回转机构塔机操作使用要求：随着塔机司机操作联动台的手柄信号，给出向右或者向左指令；PLC接收到该指令，PLC按照如下逻辑关系进行控制；向右或者向左动作信号，产生运行中中间状态信号，判断回转是否处于安全状态并给出指示；若安全，则延时并获取变频器的反馈信号，从逻辑上防止打反车误操作引起不良后果，另外再进行超限判断，进行外部故障判断；再则判断联动台的手柄信号是向右或者向左增加或者减少的趋势变化；若是减少(即司机根据现场情况在向右或者向左操作过程中逐渐降低塔机大臂吊重回转的速度)，PLC程序比较判断后，控制接通涡流电路的输出点，涡流电路配合接通涡流线圈，涡流线圈构造符合电磁感应原理，涡流线圈电流感应产生电机电磁阻力力矩，可以在变频减速的基础上增加涡流减速作用，这样减速效果可靠且平稳；实现涡流单向制动(即在回转减速时加入涡流制动)并且可以快速响应减速制动，和变频器减速双重配合，节能高效。

3、设置变频器参数，包括电流大小对应输出频率、电机保护设定值、和工作参数等。A参数设定控制方式有闭环和开环，矢量控制，V/F控制；用途选择为平移(回转)；B参数给定直流制动开始频率，启动时直流制动时间；C参数设定加减速时间，载波频率；D参数设定频率指令；E参数设定变频器输入电压、最高输出频率、电机参数；F参数PG常用设置；H参数设定功能端子；联动台手柄信号经过电流调速模块进入变频器后，限位信号采集器的限位信号接入PLC，变频器就按照相关设置参数的方式运行，进行判断和处理，输出控制回转电机。

4、根据吊重以及司机操作联动台手柄位置经限位信号采集器采集到并发送给PLC，经过PLC的比较判断，内部逻辑运算、输出，结合变频器的设置，综合比较判断整定输出给回转电机的电流控制速度输出方式。

本实用新型的优势在使用先进的变频调速代替了落后的电机调速模式如鼠笼式或绕线电机加液力耦合器、鼠笼式电机加电磁联轴节，回转电机从零速度到运行最高速度均能做到速度的平滑过渡，对机构和结构件无冲击，提高了塔机的运行安全性；较低的启动电流，由于使用了变频启动方式，可以使变频电机的启动电流降到3安培左右，这样比较低的启动电流，对电机有很好的保护作用，起到柔性控制的作用，同理比较低的启动电流对供电线路不会产生大的冲击，减轻了用户电网扩容的负担；使塔机回转机构在整个塔吊施工过程中，所起吊的重物和钢绳成一条直线并始终保持处于垂直水平地面的铅直状态；特别是当塔机所吊重物在塔机载荷特性曲线的最大值时，在加速和减速等变速情况下，提高其工作平稳性和效率，做到不摆尾，回转性能优越；涡流单向制动，并且可以快速响应减速制动，和变频器减速双重配合，节能高效；可选择和可设定塔机回转机构变频调速范围，一般对应4-20mA的电流输出0-50Hz频率，频率越高回转速度越快，这就是回转机构塔机变频调速的常用调速范围；这样提高了塔机的工作效率，根据不同的实际需要可以改变设置调速范围，如根据不同吨位的塔机可以设定不同的高速，中速，低速限定值；节能的调速方式，正因为采用了变频调速，这样电力做功不浪费，不会把多余的电能浪费在发热上，根据实际情况力矩所需大小，各种限位信号采集的情况指示下，回转机构的电机运行频率可调，减少了系统运行能耗；回转机构采用电流控制的变频调速可以设定比较低的就位速度，可以低至0.01m/s的就位速度，并用于精确吊装。

Claims (4)

1.一种塔机回转机构变频调速控制系统，其特征在于：包括联动台、限位信号采集装置、PLC控制器和变频器；其中：所述限位信号采集装置、变频器分别与PLC控制器相连，所述变频器分别与联动台和回转机构的回转电机连接，所述联动台、变频器、回转机构的回转电机、减速机和回转支承构成一个顺控回路。

2.根据权利要求1所述的塔机回转机构变频调速控制系统，其特征在于：所述PLC控制器与回转机构的涡流制动器连接。

3.根据权利要求1所述的塔机回转机构变频调速控制系统，其特征在于：所述回转电机和减速机分别为两个，构成双电机驱动。

4.根据权利要求1所述的塔机回转机构变频调速控制系统，其特征在于：所述联动台还设置有电流调速模块，用于将联动台的手柄位置信息转换为4-20mA的电流信号，通过变频器模拟量输入端进入变频器，变频器编码分别对应输出0-50Hz之间的不同频率。