CN2641003Y - 用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置。包括能发出控制方向、机械抱闸和轻载增速的开关量信号及控制速度的给定频率信号的主令信号的联动操作台，与联动操作台连通的接受其主令信号的PLC可编程序控制器，与PLC可编程序控制器连通的能接受其主令信号且能向PLC可编程序控制器返回机械抱闸信号的变频器，与变频器连接的变频电机，接受PLC可编程序控制器机械抱闸信号的抱闸电机。结构简单、可靠性高、工作平稳、安全，可大大提高塔机的使用工效。

Description

用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置

技术领域：

本实用新型涉及的是一种变频调速装置，特别涉及的是一种用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置。

背景技术：

目前国内塔机起升机构普遍采用的传统交流调速方式有：变极调速、绕线电机转子串接电阻中涡流制动器带电磁离合器机械换档调速、双速绕线电机转子串接电阻调速、双绕线电机调速等几种方式。

其存在的不足之处主要有：均匀有级调速，调速性能差，对塔机机构及钢结构的冲击大；采用继电接触器控制，故障率高，可靠性差、维护费用大；调速范围较小，定位精度较差；起升电机结构复杂；容易烧毁等等。

实用新型内容：

本实用新型的目的是为了克服以上不足，提供一种结构简单、可靠性高、无级调速、工作平稳，安全，可大大提高塔机的使用工效的用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置。

本实用新型的目的是这样来实现的：

本实用新型用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置包括能发出控制方向、机械抱闸和轻载增速的开关量信号及控制速度的给定频率信号的主令信号的联动操作台，与联动操作台连通的接受其主令信号的PLC可编程序控制器，与PLC可编程序控制器连通的能接受其主令信号且能向PLC可编程序控制器返回机械抱闸信号的变频器，与变频器连接的变频电机，与PLC可编程序控制器连通的接受其机械抱闸信号的抱闸电机，联动操作台主令信号发出运转指令输入到PLC可编程序控制器的输入开关，经PLC可编程序控制器程序处理后通过输出开关输入到变频器输入端子1和2，联动操作台主令信号发出速度给定指令电位器PXL模拟信号指令输入到变频器模拟量输入端子13，联动操作台主令信号发出速度给定指令轻载增速指令输入到PLC可编程序控制器的输入开关，经PLC可编程序控制器程序处理后通过输出开关输入到变频器输入端子6。

上述的装置中有装在变频电机轴上的且与变频器连接的旋转编码器，旋转编码器将检测到的电机速度信号输入到变频器中，实现速度负反馈闭环控制。

上述的装置中有安全保护装置，包括向PLC可编程序控制器输入信号的力矩保护SLMO、起重量保护SLCHPV、超高限位保护SLH、上升减速保护RLH、下降减速保护RLD、制动单元过热保护LBU₁+LBU₂、紧急停止按钮OLF。

上述的变速电机为鼠笼式变频电机。

参见图1～图4，联动操作台主令信号包括控制方向、机械抱闸和轻载增速的开关量信号及控制速度的给定频率信号，将它输入给PLC，PLC经过秩序处理后，向变频器发出运行指令(正反转)和给定频率指令，变频器在确认输出力矩能够与负载平衡确保重物不溜钩后，发出抱闸控制信号返给PLC，由PLC控制信号使机械抱闸松开，从而按给定运转方向和给定速度值运行；当减速停车时，在电气制动力矩作用下速度迅速降低直至为零，变频器在确保零速转矩与负载平衡的情况下，发出抱闸控制信号给PLC，由PLC控制信号使机械抱闸抱紧；与变频电机同轴安装的旋转编码器将检测到的电机速度信号输入给变频器，从而实现速度负反馈闭环控制；当安全保护装置动作或变频器本身检测出故障时，将控制信号输入给PLC，由PLC进行相应的程序处理并输出控制信号，从而实现安全保护。

与已有传统调速装置比较，本实用新型具有如下优点：

①传统交流调速方式要实现无级调速十分困难，而变频调速则很容易实现无级调速，其起动加速、减速制动、停止以及换向均十分平稳，对塔机的机构、钢结构的冲击小，从而提高塔机的使用寿命。

②起升变频调速可提高塔机使用工效。变频调速在基频以下为恒转矩调速，在基频以上则为近似的恒功率调速，当塔机吊额定载荷时，只能在0～额定速度之间调速，当塔机为轻载或空载时，则可在基频以上实现恒功率调速，提高其运行速度，最高可达额定速度的200～300％，从而大大提高劳动效率。

③变频调速使用的电机是鼠笼式电机，可充分发挥鼠笼式电机结构简单、造价低、坚固耐用几乎免于维修、体积小、惯量小的优势。

④与传统交流调速方式相比，起升变频调速的调速范围要大得多，采用带PG闭环矢量控制方式可达1∶1000，其慢就位速度，可以设置得很低直至接近于零速，从而提高塔机的定位精度，提高动态性能；①可以实现力矩控制，②实现力矩限制。

⑤变频调速在低速运行时，转差铜耗小、效率高，无论轻载或重载其进线功率因数都较高，节能效果显著。起动和换速时，冲击电流小，对进线电源的容量要求小，特别适合建筑工地的电源条件。

⑥起升变频调速有利于提高塔机的安全性。其一是变频器本身具备完善的故障诊断及保护功能；其二是可提供150～200％的零速转矩，防止重物溜钩；其三是可实现零速抱闸，减少机械抱闸的磨损。

本实用新型经过产品试制和可靠性工业考核试验，采用闭环矢量控制，技术先进，性能优良，全范围无有调速，平滑性好，起动加速、减速停止及换向十分平稳，对塔机冲击小，该本实用新型调速范围大，定位精度高，就位准确，该系统安全可靠性好，本实用新型具备轻载增速功能，工作效率高，可大大提高塔机的使用工效，其优异的性能和高可靠性是传统交换调速方式无法比拟的。

附图说明：

图1为本实用新型构成图。

图2为电气原理图(主回路部分)。

图3为电气原理图2(控制回路部分)。

图4为PLC可编程序控制器梯形设计图。

具体实施方式：

参见图1，本实用新型包括联动操作台1，型号为西门子S7-313CPLC可编程序控制器2，型号为安川VS-616G5A4075的变频器3，鼠笼式变频电机4，与变频电机同轴旋转的旋转编码器(PG)5，安全保护装置6，机械抱闸电机7。图1中序号8、9分别为减速器、卷筒。

参见图2、图3联动操作台主令信号发出运转指令(正转或反转)和速度(频率)给定指令，设置变频器参数b1-01＝1和b1-02＝1选择运转指令和速度指令均由变频器的控制回路端子输入。

运转指令包括正转指令XLH和反转指令XLD输入到PLC的输入开关，PLC经过程序处理后通过输出开关输入到变频器多功能输入端子1和2，从而实现正转或反转；速度指令包括电位器PxL模拟信号指令和轻载增速指令正转XLHSv、反转XLDSv，电位器PxL模拟信号指令直接输入到变频器模拟量输入端子13，轻载增速指令XLHSv和XLDSv输入到PLC的输入开关，PLC经过程序处理后通过输出开关输入到变频器多功能输入端子6，从而实现按给定速度运转。

与电机同轴安装的旋转编码器PG检测电机的实际速度，将实际速度信号反馈给变频器，与给定速度指令进行比较后，由偏差信号进行速度的控制调节，从而构成速度负反馈闭环控制系统。

(1)，0～额定速度的调速：

通过变频器的基频以下的恒磁通变频调速实现，为恒转矩调速，可实现0～额定速度之间的无级调速。

速度指令由电位器PxL模拟信号输入，轻载增速指令XLHSv和XLDSv均断开，即轻载增速指令无效，不具备轻载增速功能。

通过设置变频器参数H3-01＝0选择模拟量输入端子13的信号级别为0→+10V，电位器Px的模拟输入信号也为0→+10V，设置变频器参数E1-06＝50选择基频为50HZ，那么电位器PxL的输入信号0→+10V所代表的给定频率指令为0→+50HZ，最大输入信号+10V代表50HZ。

当联动操作台给定由零位到电位器PxL最大信号+10V时，变频器按照参数C1-01＝3所设置的加速时间3s进行加速，速度由零开始加速到额定转速。当联动操作台给定电位器PxL最大信号+10V回到零位时，即发出减速停车指令，变频器按照参数C1-02＝3所设置的减速时间3S进行减速，速度由额定速度开始减速直至为零。

(2)轻载增速：

通过变频器的基频以上的弱磁变频调速实现，为近似的恒功率调速，可实现额定速度～最高速度之间的平滑调速。

速度指令由电位器PxL按最大信号值+10V输入，同时轻载增速指令，XLHSv或XLDSv闭合，即轻载增速指令有效，具备轻载增速功能。

变频器参数设置如下：

b7-01＝1选择具有轻载增速功能，H1-05＝30选择多功能输入端子6作为控制轻载增速功能的有效/无效，b7-02＝120、b7-03＝120选择正、反转时轻载增速最高频率为120HZ，b7-04＝90、b7-05＝90选择正、反转时轻载增速检测力矩为电机额定力矩的90％，b7-06＝50选择轻载增速检测频率为50HZ，b7-01＝1选择轻载增速检测时间为1s。

①当输入轻载增速指令XLHSv或XLDSv(即XLHSv或XLDSv闭)时，加速到轻载增速检测频率50HZ(b7-06)为止暂停加速，经过轻载增速检测时间1s(b7-07)的1/3时间后，进行负载检测，即变频器力矩指令和轻载增速检测力矩即电机额定输出力矩的90％(b7-04或b7-05)进行比较，此检测要维持轻载增速检测时间1s(b7-07)的2/3时间。

②经过负载检测后，如果变频器的力矩指令大于轻载增速检测力矩(b7-04或b7-05)，则不增速，用轻载增速检测频率50HZ(b7-06)即基频继续运转。

③经过负载检测后，如果变频器力矩指令小或等于轻载增速检测力矩(b7-04或b7-05)，则得到一个轻载增速变频指令，该变频指令是变频器根据轻负载按恒功率输出的原理进行计算得到的增速频率指令，将它与轻载增速最高频率120HZ(b7-02或b7-03)进行比较，选择其中的低频率值运转，即轻载增速变频指令不能超过轻载增速最高频率120HZ。

由上述分析可知，实现轻载增速必须同时满足两个条件：一是轻负载，二是轻载增速指令XLHSv或XLDSv，两者缺一不可。前者是为了保证轻负载时才能增速，从而在轻载增速时电机不过载；后者是为了便于操作者控制，在确认工地现场具备轻载增速的条件后，才发出轻载增速指令。

轻载增速后的频率指令值在50～120HZ之间。

机械抱闸为常闭式，即抱闸电机LfaM通电时抱闸松开，断电时抱闸抱紧，抱闸电机LfaM的供电由接触器LFs控制。

设置变频器参数H2-01＝21选择多功能输出端子9-10为抱闸松开指令，当其闭合时，为抱闸松开指令，当其断开时，则为抱闸紧指令；H1-03＝0选择多功能输入端子5为抱闸抱紧确认指令。

联动操作台发出的运转指令XLH或XLD和抱闸控制指令XLFs输入到PLC的输入开关，由变频器多功能输出端子9-10输出的抱闸松开指令也输入到PLC的输入开关，PLC经过程序处理后通过输出开关输出。一方面输入到变频器的多功能输入端子5作为抱闸松开确认指令，该指令的作用是使变频器能够对抱闸顺控出现的故障进行检测；另一方面去控制中间继电器LFalst，进而控制接触器LFa，从而控制抱闸的动作。

(1)起动时的抱闸控制

起动时，为了防止重物滑落(溜钩)，变频器在确认产生了与重物平衡所必需的力矩后，抱闸才能松开。

设置变频器参数(b4-0102、b4-04＝2选择抱闸松开频率正、反转均为2HZ，b4-05＝30、b4-06＝30选择抱闸松开电流正、反转均为电机额定电流的30％，b4-07＝100、b4-08＝0选择抱闸松开力矩正转为电机额定力矩的100％、反转为零。

①起动时，联动操作台发出运转指令(XLH或XLD为闭)和抱闸控制指令(XLFs为闭)，但此时变频器多功能输出端子9-10输出的抱闸松开指令仍为开，抱闸仍保持抱紧状态。

②变频器内部进行力矩补偿后，当满足下列条件时：

变频器输出频率＞抱闸松开频率(正、反转均为2HZ)

变频器输出电流＞抱闸松开电流(正、反转均为30％)

变频器输出力矩＞抱闸松开力矩(正转为100％、反转为零)

则变频器多功能输出端子9-10输出的抱闸松开指令变为闭，一方面使抱闸松开确认指令也变为闭，另一方面使中间继电器LFalst通电，进而接触器LFa通电，从而抱闸通电松开。

③随后加速到通过联动操作台输入到变频器的给定频率值为止。

(2)，停止时的抱闸控制

停止时，为了防止重物滑落(溜钩)，在抱闸完全抱紧之前，变频器必须输出为平衡重物所必需的力矩。

设置变频器参数b4-12＝3、b4-13＝3选择抱闸抱紧频率正、反转均为3HZ，b2-04＝0.5选择停止时间为0.5s。

①联动操作台回到零位发出减速停止指令时，运转指令XLH和XLD均为开，抱闸控制指令XLFs也为开，变频器按设置的减速时间进行减速，直到零速为止。

②当变频器输出频率小于抱闸抱紧频率(正、反转均为3HZ)时，变压器频器多功能输出端子9-10输出的抱闸松开指令变为开，一方面使抱闸松开确认指令也变为开，另一方面使中间继电器LFalst断电，进而接触器LFa断电，从而抱闸断电抱紧。

③变频器在达到零速度时，变频器仍然输出零速转矩以平衡重物，其维持时间为b2-4所设置的停止时间0.5s，然后停止输出。

(3)，正、反转切换时的抱闸控制

在闭环矢量控制方式下，设置变频器参数b5-01＝0、b5-02＝0选择运转指令最小0N时间正、反转均为零，当给定的频率指令大于抱闸抱紧频率(正、反转均为3HZ)时，则在正、反转切换时抱闸不抱紧，一直维持抱闸松开状态，从而实现从正转到反转、从反转到正转的连续运转。

(4)，抱闸控制故障的检测

通过设置变频器参数H1-03＝0选择变频器多功能输入端子5为抱闸松开确认指令，设置变频器参数b4-16＝0.3、b4-17＝1、b4-18＝0.5、b4-19＝0.5选择抱闸控制故障的检测时间SE1、SE2、SE3、SE4分别为0.3s、1s、0.5s、0.5s，从而使变频具备了对抱闸控制故障的检则功能，当检测出SE1、SE2、SE3、SE4所定义的抱闸故障时，变频器停止输出；另一方面主接触器LQ断电切断变频器电源，中间继电器Lfalst断电，进而接触器Lfa断电，从而实现抱闸紧急抱紧。

安全保护装置如图2、图3、图4所示。

设置变频器参数H1-01＝22选择多功能输入端子3为外部故障指令(a接点即闭为有效，运行中检出，减速停止)，H1-02＝14选择多功能输入端子4为故障复位指令，H1-06＝9选择多功能输入端子8为外部基极封锁指令(b接点即开为有效，变频器停止输出)。

(1)，外部安全保护功能

外部安全保护设置了力矩保护SLMo、起重量保护SLChPv、超高限位保护SLH、上升减速保护RLH、下一步降减速保护RLD、制动单元过热保护LBU1+LBU2及紧包停止按钮OLF，将它们全部输入到PLC的输入开关，PLC经过程序处理后，通过输出开关输入给变频器及外部控制回路，控制变频器及抱闸的动作，从而实现安全保护功能。

当塔机的力矩超过额定力矩5％、起重量超过额定起重量5％、塔机吊钩的高度到达高度极限位置时，则力矩保护SLMo、起重量保护SLChPv、超高限位保护SLH动作，由闭合变为断开，其中任何一项保护功能动作，均会切断变频器的正转即上升指令，从而不能完成正转即上升方向的运行。如果变频器正处于正转即上升状态，则变频器会根据设置的减速时间进行减速直至停止。

当塔机吊钩上升运行到离高度的极限位置较近或下降运行到离地面位置较近时，则上升减速保护RLH或下降减速保护RLD动作，由闭合变为断开，使变频器的轻载增速功能无效，从而不能实现轻载增速。此时如果正处于轻载增速运行状态，则会自动减速到额定速度运行。

当制动单元过热时，则过热保护LBU1+LBU2动作，由闭合变为断开，作为外部故障指令输入给变频器，变频器减速停止。只有当制动单元温度降低即LBU1+LBU2变为闭合，而且通过手动复位按钮IRSet实施故障复位后，变频器才能重新启动运行。

当塔机的操作者发现紧急情况如即将与障碍物碰撞而需要紧急停车时，可按下紧急停止按钮OLF，通过PLC处理后进行控制，一方面通过外部基极封锁指令输入给变频器使变频器停止输出，另一方面接触器LQ断电切断变频电源，中间继电器LFalst断电实施抱闸实施紧急抱紧。

(2)变频器内部的安全保护功能

变频器具有十分强大的故障检测功能，通过变频器参数的合理设置，可实现过载、过力矩、过电压、过电流、欠电压、缺相、短路、接地、失速、过速、速度偏差信号过大、外部故障等诸多保护功能。

故障检测的内容通常包括三个方面：故障检测的有效/无效即是否实施故障检测、故障检测的条件即在什么状态下进行故障检测、故障检测后的动作，上述内容可通过变频器参数设置对其进行选择。

根据选择的故障检测后的动作，大致可将故障分为轻故障和重故障两大类。对于轻故障，检测后的动作通常包括运转继续，运转继续但禁止加速、减速停止几种方式；对于重故障，检测后的动作是变频器的故障接点多功能输出端子18-20(闭为故障输出，开为正常)输出，将其输入到PLC的输入开关，PLC经过内部程序处理后通过输出开关输出，一方面作为外部基极封锁指令输入给变频器，变频器停止输出，另一方面主接触器LQ断电切断变频器电源，中间继电器Lfalst断电，进而接触器LFa断电，从而抱闸实施紧急抱紧。

变频器检测出故障后，数字操作器的故障指示灯亮或闪亮，同时在数字操作器上显示故障内容表示代码，帮助用户分析故障原因。

75LVF25变频调速装置经过了产品试制和可靠性工业考核试验。该装置结构简单，可靠性高，在可靠性工业考核试验中无任何故障发生；全范围无级调速，起动加速、减速停止以及换向均十分平稳，对塔机的机构及钢结构的冲击小，就位准确；安全性好，机械抱闸动作可靠、磨损小，无重物溜钩现象的发生；当塔机为轻载或空载时，则可提高其运行速度，从而大大提高塔机的使用工效；其优异的性能和高可靠性是传统交流调速方式无法比拟的。

图4中序号10、11、12、13、14、15、16、17、18分别表示正转控制、反转控制、轻载控制、故障复位、外部故障、外部基极封锁、变频器电源控制、抱闸松开确认、抱闸动作控制。

Claims (4)

1、用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置，其特征在于包括联动操作台，与联动操作台连通的PLC可编程序控制器，与PLC可编程序控制器连通的变频器，与变频器连接的变频电机，与PLC可编程序控制器连通的抱闸电机，联动操作台与PLC可编程序控制器的输入开关连接，PLC可编程序控制器的输出开关与变频器输入端子1和2连接，联动操作台通过电位器PXL与变频器输入端子13连接，联动操作台通过PLC可编程序控制器的输入开关和输出开关与变频器输入端子6连接。

2、根据权利要求1所述的用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置，其特征在于有装在变频电机轴上的且与变频器连接的旋转编码器。

3、根据权利要求1或2所述的用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置，其特征在于有安全保护装置，包括向PLC可编程序控制器输入信号的力矩保护SLMO、起重量保护SLCHPV、超高限位保护SLH、上升减速保护RLH、下降减速保护RLD、制动单元过热保护LBU₁+LBU₂、紧急停止按钮OLF。

4、根据权利要求1或2所述的用于塔式起重机起升机构中的变频调速装置，其特征在于变速电机为鼠笼式变速电机。