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)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)貨物的水平移動(dòng)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(guó)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)載?；蛘哂行┕r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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)始打滑，以此來(lái)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)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(guò)載，其轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)下降來(lái)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(kāi)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(kāi)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(lái)源選擇中選外部給定轉(zhuǎn)矩（將主機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)模擬量傳輸給從機(jī)），即從機(jī)算法中沒(méi)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(guò)高時(shí)使電機(jī)減速，負(fù)載轉(zhuǎn)矩過(guò)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(yǔ)

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(lái)5年內(nèi)需求將會(huì)保持高速增長(zhǎng)。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(lái)保證塔機(jī)工作的穩(wěn)定、安全，將是必須考慮的問(wèn)題。

圖5 DROOP控制原理