塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)變頻調(diào)速控制研究

劉帝芳

（陜西建設(shè)機(jī)械股份有限公司，陜西 西安 710200）

作為回轉(zhuǎn)類型塔機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)之一，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是使塔機(jī)的回轉(zhuǎn)部分在水平面內(nèi)繞回轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)貨物的水平移動(dòng)，通過起升、變幅和回轉(zhuǎn)3個(gè)機(jī)構(gòu)的配合動(dòng)作，可以將貨物運(yùn)送到塔機(jī)工作幅度范圍內(nèi)的任意位置。加速傳動(dòng)齒輪的磨損，造成齒輪間打滑；若回轉(zhuǎn)齒輪副側(cè)隙過小，則增大了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)扭矩，當(dāng)傳動(dòng)扭矩超過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的額定載荷時(shí)，就會(huì)致使塔機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)斷軸。

2 塔機(jī)回轉(zhuǎn)電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制

1 塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通常由回轉(zhuǎn)支承裝置和回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置兩部分組成。回轉(zhuǎn)支承裝置用來連接起重機(jī)的回轉(zhuǎn)部分與非回轉(zhuǎn)部分，并提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所要求的約束以保證回轉(zhuǎn)部分具有確定的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為回轉(zhuǎn)部分提供穩(wěn)固的支承，承受來自回轉(zhuǎn)部分的垂直載荷、水平載荷以及傾覆力矩；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置則用來驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)部分相對(duì)于非回轉(zhuǎn)部分實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

一般來說，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置主要由以下3部分組成：

主動(dòng)機(jī)，如電力驅(qū)動(dòng)中的電動(dòng)機(jī)；傳動(dòng)裝置主要包括減速、換向和制動(dòng)裝置等；多個(gè)回轉(zhuǎn)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承裝置上的大齒圈嚙合傳動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)部分作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

目前我國塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)普遍采用電機(jī)—液力偶合器—回轉(zhuǎn)減速器—回轉(zhuǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式。塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最后一級(jí)傳動(dòng)都是齒輪傳動(dòng)，回轉(zhuǎn)小齒輪與回轉(zhuǎn)支承裝置上的大齒圈嚙合傳動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)部分作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。但如果回轉(zhuǎn)小齒輪出力不均會(huì)目前大型塔機(jī)上回轉(zhuǎn)電機(jī)大都采用變頻調(diào)速或者使用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，以降低回轉(zhuǎn)啟動(dòng)速度，減小塔機(jī)回轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩。

2.1 一對(duì)多驅(qū)動(dòng)控制（1個(gè)變頻器控制3個(gè)電機(jī)）

在使用變頻調(diào)速的控制系統(tǒng)中，通常用1個(gè)變頻器控制3個(gè)異步電機(jī)來驅(qū)動(dòng)塔機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 一對(duì)多驅(qū)動(dòng)控制

變頻器采用V/F控制方式，輸出的PWM信號(hào)同時(shí)控制3個(gè)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)各自連接的小齒輪。這種方式是開環(huán)控制，但由于電機(jī)特性和機(jī)械連接的不一致，可能會(huì)導(dǎo)致3個(gè)電機(jī)的負(fù)載不均衡，甚至出現(xiàn)一個(gè)電機(jī)過載運(yùn)行，另一個(gè)電機(jī)輕載運(yùn)行的情況。所以在這種驅(qū)動(dòng)方式下，一定要安裝極限力矩限制器，防止電機(jī)過載。或者有些工況選擇在這種驅(qū)動(dòng)控制方式下用力矩電機(jī)替換異步電機(jī)。

（1）極限力矩限制器。

為了保證回轉(zhuǎn)機(jī)械可靠工作和防止回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置過載，保護(hù)電機(jī)、金屬機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)零部件免遭破壞。在傳動(dòng)系統(tǒng)中一般還需裝設(shè)極限力矩限制器。極限力矩限制器在正常工作時(shí)，蝸桿的轉(zhuǎn)矩通過渦輪的圓錐形摩擦盤與上錐形摩擦盤間的摩擦力矩傳給小齒輪軸，帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)需要傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩超過極限力矩聯(lián)軸所能承受的轉(zhuǎn)矩時(shí)，上下2個(gè)錐形摩擦盤間開始打滑，以此來限制所要傳遞的轉(zhuǎn)矩，起到安全保護(hù)作用。

（2）力矩電機(jī)［2］。

交流力矩電機(jī)是一種用交流電壓信號(hào)控制的力矩電動(dòng)機(jī)，可以長期工作在低速或堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，力矩電機(jī)的軸以恒力矩輸出動(dòng)力。因?yàn)榱仉妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻比異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻大得多，所示相對(duì)來說力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差頻率大，特性比較軟。在一對(duì)多驅(qū)動(dòng)控制中，若某個(gè)電機(jī)過載，其轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)下降來調(diào)整3個(gè)電機(jī)之間負(fù)載均衡。

2.2 一對(duì)一驅(qū)動(dòng)控制（1個(gè)變頻器控制1臺(tái)電機(jī)）

為了改進(jìn)一對(duì)多驅(qū)動(dòng)控制的弊端，文章提出一對(duì)一驅(qū)動(dòng)控制方式，即1個(gè)變頻器控制1臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)的輸出特性都可控。若每臺(tái)變頻器都是V/F控制，每臺(tái)電機(jī)的輸出特性不一致，仍然會(huì)出現(xiàn)負(fù)載不均衡的情況。所以在一對(duì)一驅(qū)動(dòng)控制中，變頻器必須采用特殊控制方式。

（1）主從控制。

主從控制就是1臺(tái)變頻器采用開環(huán)矢量速度控制做為主機(jī)，另2臺(tái)變頻器采用轉(zhuǎn)矩控制為從機(jī)，從機(jī)變頻器接收主機(jī)變頻器的輸出轉(zhuǎn)矩做為轉(zhuǎn)矩控制的給定，保證3臺(tái)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩一致，出力均衡［3］。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在主從控制中，變頻器采用開環(huán)矢量控制。主機(jī)為速度反饋（估算速度）控制，算法中必須有速度環(huán)PI控制，其輸出作為轉(zhuǎn)矩的給定值。而從機(jī)為外部轉(zhuǎn)矩給定控制，在轉(zhuǎn)矩來源選擇中選外部給定轉(zhuǎn)矩（將主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過模擬量傳輸給從機(jī)），即從機(jī)算法中沒有速度環(huán)PI控制。所以從機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩完全跟隨主機(jī)，這樣就能保證3臺(tái)電機(jī)負(fù)載均衡。其具體原理框圖如圖3所示。

圖2 主從控制方式

圖3 主從控制原理框圖

（2）DROOP控制。

當(dāng)多臺(tái)電機(jī)剛性連接驅(qū)動(dòng)一個(gè)負(fù)載時(shí)，為了在電機(jī)之間取得負(fù)載平衡，可以使用DROOP控制。其原理就是在負(fù)載轉(zhuǎn)矩過高時(shí)使電機(jī)減速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩過低時(shí)使電機(jī)加速，從而保持負(fù)載平衡。3臺(tái)變頻器都采用開環(huán)矢量速度控制，同時(shí)都能使用DROOP控制。具體框圖如圖4所示。

圖4 DROOP控制方式

在DROOP控制中，3臺(tái)變頻器都采用開環(huán)矢量速度控制，即3臺(tái)變頻器算法中都有速度環(huán)PI控制。而DROOP控制將接收到的手柄速度給定信號(hào)經(jīng)過算法后做為速度環(huán)中的給定速度。DROOP控制的原理如圖5所示。DROOP算法為給定速度減去負(fù)載轉(zhuǎn)矩乘以DROOP系數(shù)。輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，則速度給定減小，即電機(jī)減速；輸出負(fù)載轉(zhuǎn)矩小，則速度給定增大，即電機(jī)加速，從而平衡3個(gè)電機(jī)之間的負(fù)載。DROOP系數(shù)為零，則不能使用DROOP控制。

3 結(jié)束語

自動(dòng)化產(chǎn)品在塔機(jī)行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)得到認(rèn)同，未來5年內(nèi)需求將會(huì)保持高速增長。如今變頻調(diào)速技術(shù)已廣泛應(yīng)用于塔機(jī)［1］，而如何選擇更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)控制方式來保證塔機(jī)工作的穩(wěn)定、安全，將是必須考慮的問題。

圖5 DROOP控制原理