一种以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于起重机控制领域，具体涉及一种以矢量变压变频变频器为电源的定力 臂起重机控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着技术进步和市场要求提高，近年来，变频技术越来越多的被引入起重机系统， 作为其动力电源，发挥了技术先进，易于控制，调速范围宽，工作平稳，结构简单，维护成本 低，集成化程度高等优势，已逐渐成为起重机系统的最重要的动力电源。起重机是现代生产 中常用的一种机械设备，不同的使用场合有不同的使用需求，一般会针对不同的使用场合 设计制造出能适应于这些场合的起重机。起重机在工作过程中，如果起重机系统起升力臂 不发生变化，仅是起升重物的上升或下降，或重物与起重机系统整体平移，如门式起重机， 桥式起重机等，这类起重机定义为定力臂起重机。起重机除了带动重物上升或下降之外还 会带动重物在水平方向或俯仰方向上围绕起重机重力支点作一定的位移和旋转，起重机系 统起升力臂发生变化，如塔式起重机，港口装卸起重机等，这类起重机定义为变力臂起重 机。为了确保起重安全，起重机在工作时不能发生起重机自身的倾翻、坍塌或超载，即：既 不能超重，也不能超速，同时也不能发生重物的突然下落即：俗称"遛钩"。为了适应复杂多 变的起重工况，起重机在工作过程中都需要人为操作。目前的起重机中，一般都设置有多种 检测传感器，用以反馈信息给操作人员，使操作人员在操作起重机时，可以方便了解起重机 工作状态，以确保起重安全。目前的起重机系统中设置的检测传感器，通常检测所起升重物 的质量，力臂，转矩，以及起升电机实际转速等，而起升机系统通过减速机构的最终实际负 载转矩和工作转速才是决定系统工作安全和效率的关键，对其实际工作情况，目前设备仅 只通过操作人员人为判断，这种判断只凭操作人员的实际操作经验及感觉；目前的起重机 控制系统中，对于起重机的控制仅只考虑了对起重机起降重物质量进行限制的一项安全措 施，而没有考虑到起重机安全工作速度的限制，同时也无法在其确保安全的前提下工作效 率的提高。并缺少针对性的安全自动控制对策。加之，所使有的传感器都是外接安装，故硬 件成本、安装方式、以及测量的准确性都带来了一系列的问题；存在着明显的传感器附加硬 件成本高昂，安装困难，测量受安装位置和方式影响极大造成测量困难结果不准确及自动 安全控制缺位的诸多弊端。
【发明内容】
[0003] 本发明针对上述不足之处而提供的一种定力臂起重机控制方法，在增加了安全因 素充分考虑起重安全的同时，可以明显提高起重机工作效率。本发明的控制方法，是以矢量 变压变频变频器，即VT-VVVF变频器为电源的起重机系统为对象的控制方法。
[0004] 起重机在开始起升重物的时候，重物在从静止开始向上运动，需要一个向上的加 速度a，施加于重物的力需要大于重物的重力mXg，初起升重物受到的拉力F = mX (a+g)。 同时起重机在开始起升时，为了保证足够的启动转矩和起动平稳，需要一个最大的起动转 矩和一个较低的转速，这正是VT-VVVF变频器所具备的最重要特征和我们选用其作为起重 机电源的原因。
[0005] 本发明的定力臂起重机控制方法中，
[0006] Sl步，起升电机VT-VVVF变频器控制起升电机按起动频率fqd运行起动；
[0007] VT-VVVF变频器控制起重电机在起升时，不同的生产厂家，其输出的起升频率不尽 相同，共同的特点是：在起动时，输出起升电机一个非常低的起升频率fqd，同时输出一个 接近于起升电机最大输出转矩的启动转矩，理想状态时Tqd = Tm，以使系统获得一个最大的 起动转矩平稳启动。
[0008] 在定力臂起重机中，起升机构电机输出转矩Tfz与重物所产生的负载转矩大小相 同，方向相反，即数值上Tfz = mXgXR。其中，起升机构电机输出转矩Tfz是起升电机经 过减速机构减速后，在减速机构卷扬绞盘上输出的转矩，R为起升减速机构卷扬绞盘半径， mX g为被起升重物的重力。以下的分析都是以起升机构电机输出转矩Tfz来对起重机实际 的负载转矩进行的。对于转动机械系统来说，其广义的转矩公式推导如下：
[0009] 重物起升时所需要的功率；
[0010] P = FXV即力与速度的积为功率。
[0011] T = FXR钢绳作用到半径为R的卷筒上时，所需要的转矩。
[0012] P = FXV = FX ω XR = FX (2X π Xn/60) XR = (T/R) X (2X π Xn/60) XR 两 边同乘1000转化为kw后为：
[0013] P = (ΤΧ η)/9550 P-(kW)............(2-1)；
[0014] 或：P = (TXn)/9. 55 P-(W)............(2-1)；
[0015] 广义转动机械系统转矩公式；
[0016] 其中，转速η单位为r/min即转每分，功率P单位为kW ;转矩T单位N · m ;矢量变 压变频变频器中，整流装置输出直流功率为Pd，P1为矢量变压变频变频器变频输出交流功 率与起升电机定子功率相等，P 2为起升电机转子功率，减速机构输出功率为Pfz，则有如下 关系：
[0017] ?· = G/'G; G为IGBT开关管效率系数；
[0018] λ = P2Z^P1; λ为起升电机电磁转换效率系数；
[0019] ε = Pfz/P2; ε为减速器机构机械效率系数；
[0020] ... Pd = PJ ? = P2I {?χλ) = Pfz I (?^λχε)\
[0021] δ = n2/nfz ;η2起升电机或起升机构输入转速，nfz起升机构输出转速，δ为起升 电机减速机构传动比；
[0022] η2= 60Χ (1_S) Xf/p ;异步电机异步转速；S为异步电机转差率，P为异步电机 磁极对数；f为异步电机工作频率等于VT-VVVF变频器输出频率；
[0023] X Trf = /yi / (ζ· X λ X ￡·) = X /诉）/ (9550 X f X /I X f);继而 有：
[0024] P1 = Vd X I, =(Tfzx nfz) / (9550 χ?χλχε) =(Tfz / (9550 χ?χλχ ε)) χ (60 χ (I - *S) χ /7 /?) / ^ = (Tfz / (?χλχεχ δ)) χ ((1 - 5) χ /7 160 χ /?)
[0025] 令：Kdj = 160Χ P /(I-S);电机转动参数；
[0026] 尺办二f X /I = P2 / 6 ;电机效率参数；
[0027] Kjs = ε X δ = (Pfz/P2) X (n2/nfz) = (Pfz/nfz)/(P2/n2) = Tfz/T2;减速机参 数；
[0028] .·· Tfz = Kdj XKdxXKjsXPd/f = Kdj XKdxXKjs XUdX Id/f. ·· (2-2);
[0029] 其中，定义域：fqd (Hz)彡 f 彡 2 X f。； & < G Λ. X 义 / A/x = G v / ;
[0030] 值域：TK 彡 Tfz (Ν · m) <Κj s X Tn ;
[0031] fqd为起升电机矢量变频器的起动频率，
[0032] 2 X &为目前起升电机的最大工作频率，
[0033] f。为工频频率50Hz ;
[0034] TK为空载转矩；
[0035] Tn为电机额定转矩；
[0036] 在对起升电机进行测量时，起升电机对应的运行频率f在矢量变压变频变频器起 动频率fqd与最大输出频率2 X &之间。Pin为起升电机标称额定功率，PdS P1NX λ/Kdx保 证了起升电机不会超过标称额定功率运行。通过对变频器整流直流功率Pd和对应输出频 率f的测量，并据此做出判断：若TfzXTfz max，转矩超载，起升重物大于起重机允许起吊最大 重量；若Pd>P1NX λ/Kdx，功率超载，起重机电源功率大于起升电机标称额定功率；都属于 起重机系统超载，如果系统超载时，令Utl= 0即变频器输出电压置0,起重机告警停车，正向 闭锁，反向开放，导向安全。
[0037] Tfz = Kdj XKdxXKjs XPd/f = Kdj XKdxXKjsXUdX Id/f......(2-2)；
[0038] 本发明的定力臂起重机控制方法中，
[0039] S2步，起升电机起动后，测量起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流电压Ud 和整流输出直流电流Id，变频器整流输出直流功率在1-2秒内波动幅度小于5-10%时，测 量记录其整流输出直流电压U d、整流输出直流电流IjP起升输出频率f，利用公式（2-2)计 算起升机构电机输出转矩Tfz。
[0040] 式2-2得出了起升机构电机输出转矩Tfz计算关系。同一台起重机，在运行过程 中电机转动参数Kdj、电机效率参数Kdx，减速机参数Kjs等参数不会发生改变；起升机构的 输出转矩Tfz与矢量变压变频变频器的整流输出直流功率P d和输出频率f存在着直接的联 系，即负载与动力关系，它实际上是公式（2-1)在矢量变压变频变频器起重机系统中的一 个具体表现形式。对于某次特定的起升过程，被起重的重物质量不会发生改变，也就是起升 电机负载不会发生改变，即为恒转矩负载；在起升电机运行平稳后，通过测量出变频器整流 输出直流功率P d= U dX Id和输出频率f，即以得到起升机构电机输出转矩Tfz。公式（2-2) 主要根据矢量变压变频变频器起重机系统的实际工作原理，选取了最为易于测量的P d和f 作为测量对象并确立了和起升机构电机输出转矩Tfz三者的严格数量关