變頻器在施工升降機上的應用

摘要：本文介紹了施工升降機的結構和控制要求，并詳細說明了施工升降機變頻調速系統的電氣設計、選型、安全測試及調試方法。
關鍵字：變頻器，施工升降機

引言
　　隨著我國建筑業的不斷發展，建筑施工機械化水平的不斷提高，對施工升降機的制造質量和整機技術水平的要求也越來越高。普通升降機一般采用的是接觸器-繼電器控制方式，直接啟動和機械抱閘強制制動，啟制動沖擊大，對機械結構和機構的損壞大，電氣元件也易損壞，同時容易造成升降機里的物料跌落，既影響了施工速度也影響了施工企業的效益，特別是在人貨兩用施工升降機上，存在著極大的安全隱患。隨著用戶對施工升降機的性能和安全要求越來越高，傳統的控制方式已經越來越感覺到力不從心。
　　鑒于以上的原因，國內外的專業生產商在升降機的起升調速方式上進行了較多的新加速應用嘗試，如采用多級電動機的調壓調速、引進變頻調速等。逐漸地隨著變頻技術的不斷發展，它以的優勢超越了其它的任何調速方案，占據了主導地位。升降機采用變頻調速有著諸多優點，例如，零速抱閘，對制動器無磨損；任意低的就位速度，平層精度高；速度的平滑過渡，對機構和結構件無沖擊，提高了升降機的安全性；幾乎任意寬的調速范圍，提高了升降機的工作效率；節能的調速方式，減少了系統運行的能耗等，正是因為這些明顯的特點和優勢，使變頻器在升降機上得到了廣泛的應用，這將對升降機的安全運行和減少運行能耗都有重要的意義。

升降機的結構及控制
　　施工升降機是一種用吊籠(或平臺、料斗)載人、載物沿導軌架或導軌作上下運輸的施工機械。其廣泛用于建筑施工等領域，如工業、民用建筑、橋梁施工、井下施工、大型煙囪施工等場所運輸物料及人員的理想設備，作為*性或半*性的施工升降機還可用于倉庫和高塔等不同場合。在高層建筑施工中垂直運輸zui繁忙的一種機械，已被*為高層建筑施工*的關鍵設備之一。
　　施工升降機主要組成部分如下：導軌架、吊籠、傳動系統、附墻架、底架護欄、電氣系統、安全保護裝置、電纜供電裝置等。如圖1所示
　　　

圖1 施工升降機結構

1—地面防護圍欄門；2—開關箱；3—地面防護欄；4—導軌架標準節；5—吊籠門；6—附墻架；7—緊急逃離門；8—層站；9—對重；10—層門；11—吊籠；12—防墜安全器；13—傳動系統；14—層站欄桿；15—對重導軌；16—導軌；17—齒條；18—天輪

升降機變頻調速系統設計
3.1變頻調速系統結構介紹
　　升降機變頻調速系統由以下部分：盤式制動三相異步電動機，變頻調速器，變頻器制動單元和制動電阻，聯動臺，電氣保護裝置等構成。其控制過程是：操作聯動臺上的速度轉換開關，選定速度擋，然后輸出信號給變頻器，改變頻率值，zui終達到調速的目的。
3.2電控系統的設計要點
3.2.1電動機的選取
　　當傳動系統的基本參數（如zui大起重量、zui高工作速度等）給定后，就可以對電動機的級數和功率進行確定和計算。施工升降機的起升機構應選擇適合頻繁起動、轉動慣量小、起動轉矩大的變頻電機。電動機功率的選擇應根據驅動機械負載大小而定，其計算公式為：
                                              P=WV/(η×10-3)               （1）
式中W———額定載荷重力+吊籠，繩索的重力
　　V———運行速度，m/s；
　　η———機械效率（傳動部分各部傳動效率之積）。
　　由于升降機負載轉矩為恒轉矩特征，低頻時轉矩基本不變，要求電動機和變頻器能低速運行。因此，要加大電動機功率或加設外部風扇冷卻。
3.2.2變頻器的選取
　　當系統的電動機確定后，就可著手進行控制系統的設計。首先是變頻器的選型，現在國內外變頻器品牌不少，控制水平和可靠性差別較大。用于升降機的傳動系統，選用具有矢量控制或者直接轉矩控制，運行穩定，可靠性高的變頻器。由于變頻器品牌的不同，相同功率下變頻器的過載能力和額定電流值也不*一致。所以，選擇變頻器容量時，不單要看額定功率的大小，還要校核額定工作電流是否大于電動機的額定電流，一般的經驗是選用變頻器的容量比電動機大一級，以深圳四方變頻器為例，在SC100型施工升降機中，每臺電動機功率為11kW，則電機的功率為2×11=22kW，可選用四方30kW穩定可靠的高性能V360系列變頻器。

3.2.3制動電阻的選取
　　作為升降用的變頻系統，其設計的重點在于電動機處于回饋制動狀態下的系統可靠性，因為這種系統出故障往往都發生在吊籠下降時的工況，如過電壓、超速、溜車等。變頻系統在整個重物下降過程中，電機處于發電狀態。再生電能返回至變頻器直流母線，此時通常采用直流側接入制動單元和制動電阻器等耗能裝置，
　　可以用圖來表示升降機變頻系統各參數在下降過程中的變化狀況。
　　在勻速下降時電阻消耗的穩態功率
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Pe=ωmMeδ                               （2）
　　減速時的峰值功耗
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Pm=Pe+δJ（ωm-ωd）/Ta                   （3）
式中ωm———減速前下降速度
　　ωd———減速后下降速度
　　Me———負載轉矩
　　δ———傳動系統的反向效率
　　J———傳動系統的轉動慣量
　　Ta———減速時間
　　要確定這些參數的值，在系統設計初期是有一定難度的。在產品未完成前，無法測量和計算各部件的傳動慣量；而在實際使用中，系統的減速特征是會隨現場的需要而改變的。所以大多情況下，經驗的取值一般按電動機功率的40%~70%之間。而制動電阻的阻值R計算按以下范圍選取
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Rmin≤R≤Vc2/0.8P                       （4）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　Rmin≤Vc/Ic                             （5）
式中Vc———制動單元動作電壓
     Ic———制動單元zui大允許電流
     P———電動機額定功率
3.2.4控制電路設計
　　以下就以深圳四方變頻器在施工升降機上的使用詳細說明控制電路的設計流程。升降機電氣系統主要由主電路和控制電路組成，主電路電氣原理圖如圖2所示，控制電路電氣原理圖如圖3所示，電氣傳動部分由兩臺異步電機組成，兩臺電機由一臺V360變頻器控制，其中每臺電機額定功率為11KW，額定頻率為50HZ，額定電流為24A，按照變頻器選型方法可選變頻器額定輸出功率為30KW，根據式（2）到式（5）可選制動電阻阻值為20歐姆、功率為20KW。控制方式采用外部端子控制，通過帶有上升、停機、下降和速度切換功能的工作臺控制變頻器上升、停機、下降和速度切換輸入信號。變頻器的一路輸出繼電器RO1設置為變頻器輸出頻率檢測功能以控制電機制動器的抱閘接觸器，一路輸出端子DO1設置為故障報警輸出。
　　當主電路空氣開關Q1，Q2閉合時，在電路*情況下按下啟動按鈕SB1，KM1得電吸合且自鎖，電路上電；需要上升或下降時，按下SB2或SB3，命令由上升或下降繼電器通過變頻器輸入端子控制電機正反轉，且在電氣接線圖上形成互鎖，同時變頻器檢測輸出頻率，當變頻器輸出頻率到達抱閘松開頻率時KM2吸合，抱閘松開，升降機正常工作。施工升降機的安全是控制電路設計的重點，在控制電路中加入了吊籠上各門限位開關，上下限位，以及超載、超速、防墜等安全保護措施，同時在升降機工作中變頻器出現故障時，故障繼電器動作，使上升，下降及抱閘繼電器斷電，變頻器停機，抱閘鎖緊，在故障沒有排除的情況下，即使重新觸發啟動上升或下降開關，升降機也無法上升或下降。這樣，通過變頻器輸出繼電器與外圍電氣設計，使系統強制性的在安全范圍內工作。
　　

施工升降機調試接線圖

升降機變頻調速系統調試
4.1 變頻調速系統的調試
　　在確保主電路及控制電路接線正確的情況，系統開始上電調試。通過變頻器上的操作面板設置電機的參數，并選擇靜態自學習方式辨識電機，辨識完成后，設置控制模式，輸出頻率，加減速時間，繼電器RO1輸出方式，抱閘松開和鎖緊的檢測頻率及其它相應參數（其具體設置參數詳見各變頻器使用說明書），參數設置完成后，按照施工升降機的國標實驗規則，將進行空載調試、額定負載調試及125%額定負載調試幾個階段。在調試時，若出現溜鉤現象，可適當調高抱閘頻率，但不宜設置過高，否則變頻器易報故障，一般設置在0.3~2Hz內。
4.2升降機的安全調試
　　安全是施工升降機zui重要的標準，在系統調試時必須按照國標進行安全測試。在空載調試時，可測試升降機上下限位、吊籠各門等限位開關是否按設計標準動作；在125%額定負載調試后，將超載保護器調整為110%，進行超載測試。防墜測試，通常在施工升降機上安裝有防墜安全器，防墜安全器是施工升降機上重要的一個部件，要依靠它來消除吊籠墜落事故的發生，工地上使用中的升降機都必須每三個月進行一次墜落試驗，墜落試驗可通過提高變頻器輸出頻率，使電機驅動吊籠在模擬墜落的速度下，看防墜安全器是否動作。

結束語
　　經現場調試驗證，該設計方案安全保護設施健全，測試方便，升降機起停時無明顯沖擊和下滑現象，調速平穩，低速時啟動力矩大，減少了對減速機，聯軸器等機械設備的沖擊，也降低了對電網的沖擊，使維護費用大大降低，提高了工作效率，并且節能*，因此變頻器調速系統在升降機具有很好的推廣應用價值。

參考文獻
[1] GBT 10054-2005 施工升降機
[2] 實用起重機電氣技術手冊 傅德源，2011
[3] 李方圓. 變頻器行業應用實踐，2006（1）