专利名称：回馈式塔机变频起升机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种建筑工程机械，具体涉及一种塔式起重机的变频起升机构。
背景技术：
随着我国建筑业的不断发展，建筑施工机械化水平的不断提高，对塔机的制造质量和整机技术水平的要求也越来越高。塔机的各个传动机构所采用的方式，控制系统的技术水平，用户的可操作性和可维护性基本上就体现了整个塔机的技术水平和档次。而在这几个系统中，最为重要也是最具有技术代表性的是起升机构，它控制功率最大、调速范围最宽、出故障后的维修难度也最大。而且该系统的调速过程产生的机械冲击是对整个塔机结构件疲劳失效最为重要的原因之一。
国内业内各生产商在该机构上也花了许多工夫来改进其性能，也有了长足的进步，从整体上看，绝大多数采用的是单电机传动的方案，以绕线式电机和变极电机调速为主，然而要想达到较宽的调速范围，只有设计制造大功率、宽调速范围的非标电机，如采用多极绕线式电机；或制作大极差的多速电机。较高的调速要求不但给电机生产厂商带来了较多的质量控制难题，而且也增加了控制回路和电机的制造成本。
鉴于以上的原因，国内外的专业生产商在塔机的起升调速方式上也做了较多的尝试，如多极电机的调压调速和变频调速，逐渐地，随着变频技术的不断发展，不断地被人们认识，它以绝对的优势超越了其他的任何调速方案，其优点是数不胜数，如零速抱闸对制动器无磨损；任意低的就位速度可用于精确吊装；速度的平滑过渡对机构和结构件无冲击载荷，加大了塔机的运行安全性；极低的起动电流，减轻了用户电网扩容的负担；几乎任意宽的调速范围，提高了塔机的工作效率；节能的调速方式，减少了系统运行能耗；单速的鼠笼电动机以较高的可靠性保证了机构的运行可靠性；......。所以国外的塔机制造商所推出的最新的塔机也是采用的变频起升机构，如POTAIN，LIEBHERR等著名公司。同时我们认为，随着变频器价格的不断降低；可靠性不断提高，变频技术一定能在我国的建筑机械上得到广泛应用。这将对塔机的安全运行和减少运行能耗都有重要的意义。
我国的塔机用户和生产商都希望能推出变频系统，然而在具体的设计中由于相互制约的技术原因使得现在的变频起升机构存在着要想满足高速性能，势必造成低速时的起吊载荷小；要保证低速的起吊能力，其最高速度又偏低。要是为了满足两者的要求，只有加大电机功率和变频器功率，这就带来系统成本的大幅度提高，比如一台起重能量为8吨的变频机构，其成本要比普通的调速方案贵3-4万，这种成本的大幅度增加就对变频技术的推广应用增加了难度。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是解决现行的塔机变频起升机构调速范围小、最高工作速度偏低、系统整机功率大、成本高的问题，而提供一套在较小的整机功率和较低的系统成本下，不但能满足低速时的大载荷起吊，而且最高工作速度也得到了大幅度提高的回馈式塔机变频起升机构。
本实用新型采用的技术方案是这种回馈式塔机变频起升机构由依次连接的变频器、工作电动机、回馈电动机、变速机构、起升卷筒组成，工作电动机的定子绕组与变频器输出端连接，工作电动机的转子绕组端头或者连接回馈电动机的定子绕组，或者工作电动机的转子绕组端头短接，回馈电动机的转子绕组端头短接，工作电动机的转子轴与回馈电动机的转子轴经机械变速机构共同驱动起升机构的起升卷筒。
上述技术方案中，这种回馈式塔机变频起升机构中的工作电动机和回馈电动机，可以是完全独立的两台，也可以是安装在同一个外壳内、具有独立的两个定子和装在同一个转子轴上的两个转子所构成.其中一个定子与一个转子构成工作电动机，另一个定子和另一个转子构成回馈电动机，这种转子直接连接的两台电动机的磁极对数相同。
上述技术方案中，与变频器连接的工作电动机为绕线式转子电动机，回馈电动机可以是鼠笼式转子电动机，也可以是绕线式转子电动机，但其转子绕组接成闭合回路。
上述技术方案中，当两电动机为完全独立的两台时，每台电动机的转子轴分别连接一套变速机构，这两套变速机构的输出轴则分别连接到起升卷筒的两端。
上述技术方案中，两台电动机可以共用变速机构，共用变速机构的输出端与起升卷筒连接，共用变速机构的输入端经不同的传动路径分别连接两个电动机的转子轴。
上述技术方案中，两台电动机的转子轴可以直接连接共用变速机构，两台电动机的转子轴输出端直接与变速机构的输入级连接，变速机构的输出级与起升卷筒连接。
上述技术方案中，电动机尾部没有安装制动器，则在电动机与起升卷筒之间的传动链上还安装有制动器装置。
如果系统需要高速运行，可通过控制回路使变频器的输出频率升高，并且与变频器连接的工作电动机转子绕组端头短接，同时让回馈电动机的定子绕组开路。
在相似技术指标的情况下，本实用新型所采用的变频器的容量只有常规变频起升机构的一半，这对变频器的成本占了整个塔机起升机构总成本的60％以上的常规变频机构提出了一大幅度降低成本的方案。同时该系统还降低了恒转矩调速范围，加大了恒功率段的调速范围，彻底解决了常规变频起升机构存在的要满足高速性能，势必造成低速时的起吊载荷小；要保证低速的起吊能力，其最高速度又偏低的难题。
本实用新型的工作过程是这样的我们把与变频器连接的电动机称为工作电动机，把另外一台电动机称为回馈电动机，当变频器输出端给工作电动机的定子绕组提供380V、50HZ的交流电时，此时工作电动机的转子绕组将有近300V、频率为50HZ的交流电产生，由于工作电动机的转子绕组与回馈电动机的定子绕组连接，所以此时回馈电动机也得电，两台电动机的转子将开始转动(通过改变回馈电动机的定子绕组与工作电动机的转子绕组连接的相序，使两台电动机同方向转动)。由于两台电动机的转子轴是以机械并连的方式经机械变速机构共同驱动起升机构卷筒的，所以卷筒也会在两台电动机的共同作用下转动，并经钢丝绳起吊载荷运行，与此同时，随着转子速度的增加，工作电动机转子的电压和频率都会下降，当转子速度增加到工作电动机额定速度的一半时，其转子输出电压的频率下降到25HZ、电压为起动时的一半，此时，将可使系统将处于稳定的工作状态，其稳速过程如下当转子速度低于1/2额定速度时，工作电动机和回馈电动机都处于电动状态，共同拖动负载，使转子速度增加；当转子速度高于1/2额定速度时，回馈电动机将处于发电制动状态，对转子产生制动力矩，同时，工作电动机的转子回路将由回馈电动机反向馈电，也将对转子产生制动力矩，迫使转子速度下降。这样就达到了稳速的目的。同理，改变频器的输出频率，那么对应该频率的1/2转速处一定就是转子轴的稳定工作速度。
当变频器的输出频率从50HZ往下调时，转子速度将以1/2额定速度往下减速，但此时转子的输出转矩为两台电动机的额定转矩之和，这样就成倍地加大了低速时转子的转矩输出值。举例来讲，用一台15KW的变频器来控制该机构，在低速可以得到相当于30KW电动机的额定输出转矩。而在常规的变频系统中，一定要用大于30KW的变频器才能做到的。这就意味着，在起吊同样的额定重量，本发明把变频器的容量降低了一半，所以其系统成本也得到了大幅度的降低。
当变频器的频率从50HZ往上升时，工作电动机处于恒功率调速区，由于工作电动机的电源频率上升而幅值不变，那么励磁电流就会下降；虽然转子速度上升，其转子电压也只是频率上升而幅值保持不变，那么回馈电动机也就处在恒功率调速区。此时，系统将随着变频器输出频率的升高，转子速度上升，但其合成的转矩不断地下降。当变频器的输出频率达到100HZ时，转子速度就达到电动机的额定转速，其合成的转矩为一台电动机的额定转矩。
如果还需要转子速度上升，就可断开工作电动机的转子绕组与回馈电动机定子的连接，并短接该转子绕组，当变频器的频率达到100HZ时，转子速度就是电动机额定转速的2倍，此时，转子输出转矩为工作电动机额定转矩的一半。
反转的工作过程与上述过程相同。
从理论上讲，当工作电动机运行在额定速度以下时，转子回路将存在转差能量，该能量如果不处理掉，将会使转子电流急剧上升，电动机将因过流而烧毁。普通的调速方案是通过转子绕组外接大功率电阻，经发热的方式消耗掉。而在本发明中，工作电动机的转差能量是通过回馈电动机转换成对负载做功，使转差能量得到了充分的利用，就加大了系统的输出转矩。
由此，我们就得到了两个非常有用的特点1.大幅度降低了变频器的装机容量在低速段，本发明的变频器功率可比常规变频系统小一半，但其输出转矩相同。也就是说，起吊同样的重物，本发明所采用的变频器容量是常规变频系统的一半，这就大幅度降低了系统成本。
2.大幅度提高了起升机构的最高速度本发明的恒转矩范围是0-25HZ段，25HZ到100HZ都为恒功率调速段。如果在25HZ处，设定系统额定吊重的最高起吊速度为40米/分，那么在轻载状态下，当变频器输出100HZ的工作频率时，重物的起吊速度就可达到120米/分。而同样是在40米/分处起吊额定重量的常规变频系统，当机械传动机构不变时，在100HZ处只有80米/分的速度，而要想达到120米/分的轻载高速，其变频器的输出频率一定要达到150HZ，这将有违变频起重系统的设计常规，因为在这样的工作频率下，不论是电动机、变频器以及机械变速机构都会产生相应的技术问题，所以在起重系统上，通常会把变频器的最高输出频率限制在100HZ以下。要做到与本发明的性能相似，唯一的办法是加大电动机和变频器功率，成本又会大幅度上升。
总之，在塔机的起升机构上，通过本发明，不但可以大幅度降低成本，而且性能还将有较大的提升。这对变频技术在塔机上的推广应用，提高塔机的运行安全性，提高塔机的工作效率，减少能耗等方面都有积极意义。
图1为本实用新型结构原理图图2为本实用新型电控制原理图图3为本实用新型机械安装结构实施例1示图图4为本实用新型机械安装结构实施例2结构示图图5为本实用新型机械安装结构实施例3结构示图图6为本实用新型机械安装结构实施例4结构示图图7为本实用新型机械安装结构实施例5结构示图附图标注说明1--变频器 2--工作电动机3--回馈电动机 4--变速机构5--起升卷筒 6--速度给定单元7--制动器 8--控制单元9--连轴节 10--连轴节11--双电动机外壳 12--工作电动机制动器13--回馈电动机制动器 14--工作电动机连轴节15--工作电动机变速机构16--回馈电动机变速机构17--回馈电动机连轴节 18--局部变速机构19--回馈电动机连轴节具体实施方式
参见结构原理图1，本实用新型包括有变频器1、工作电动机2、回馈电动机3、变速机构4、起升卷筒5、速度给定单元6、制动器7、控制单元8组成。其中，工作电动机2、回馈电动机3的转子轴一机械并联的方式连接，并驱动变速机构4；变速机构4带动起升卷筒5转动；工作电动机2的转子绕组通过接触器MC连接到回馈电动机3的定子绕组；工作电动机2的定子绕组连接到变频器1的输出端；速度给定单元6给出速度指令，控制单元8再控制各个接触器、变频器1进行相应的工作。
本实用新型是以如下方式完成对塔式起重机的升降作业的具体过程如下在停机状态下，速度给定单元6给控制单元8一个速度档位信号，控制单元8同时对变频器1给出方向指令和速度指令，控制单元8在给变频器1指令的同时，并判断速度给定的大小，如果为低速给定(转子速度小于额定转速)，控制单元8在给变频器1指令、打开制动器7的同时将使接触器MC闭合，触器MD断开；回馈电动机3的定子绕组就与工作电动机2的转子绕组连接，回馈电动机3得电并投入运行；在这种情况下，如前分析，转子的转速为1/2的给定频率所对应的单电动机运行速度，但可输出的转矩为两个电动机的输出转矩之合；经变速机构4驱动起升卷筒5以低速大转矩的方式运行。
当速度给定单元6的速度给定值超过工作电动机2的额定转速时，控制单元8在给变频器1指令的同时，将使接触器MC断开，触器MD闭合，此时只有工作电动机2运行，系统处于常规的变频器拖动一台电动机的运行方式；其转子运行速度可高达2倍的额定转速，经变速机构4驱动起升卷筒5以轻载高速的方式运行。
上升与下降的工作过程相同。
图2是本实用新型电控制原理的具体实施例，图3、图4、图5、图6、图7都是本实用新型机械安装结构的实施例，其差别是机械结构不同，电控原理是相同的，工作原理是相同的。
现以图2的电控制原理结合图3的机械安装结构具体分析如下如图3所示，工作电动机2、回馈电动机3设计安装在一个双电动机外壳11中成为一台特种电动机；工作电动机2、回馈电动机3的转子轴同轴，并经过连轴节10与制动器7连接；制动器7经连轴节9与变速机构4的输入级连接；变速机构4的输出级连接到起升卷筒5上。
图2为本实用新型电控系统的一个具体实施例，速度给定单元6由一组开关组成，其中有方向开关、速度档位开关以及各种限位开关。控制单元8由接触器MA、MB、MC、MD和长沙市海川机电技术开发公司生产的NDM-S型变频控制器组成。接触器MA控制主电源的通断；接触器MB决定制动器7的开闭；接触器MC用于连接工作电动机2的转子绕组与回馈电动机3定子绕组、MD用于工作电动机2的转子绕组的短接。所有接触器的线圈都连接到NDM-S型变频控制器上，且NDM-S型变频控制器还通过一组控制线分别连接到变频器1的控制端；变频器1是由日本安川机电公司生产的616G7型变频器；工作电动机2的定子绕组连接到变频器1上。
结合机械安装结构实施例图3和电控制系统实施例图2分析，其整个起升机构的工作过程如下当系统上电后，首先是控制单元8中的NDM-S型变频控制器得电，如果此时在速度给定单元6中的方向开关打开；且各限位开关都处于闭合状态，则接触器MA的线圈得电，接触器MA得电使变频器1上电，但此时无速度输出，工作电动机2不工作，系统处于准备阶段。当速度给定单元6中有方向和速度档位开关闭合时，NDM-S型变频控制器会对变频器1给出方向与速度指令，同时判断是高速指令还是低速指令。
如果为低速指令，NDM-S型变频控制器会打开接触器MC、MB，工作电动机2的转子绕组与回馈电动机3定子绕组连接，制动器7打开，工作电动机2将根据变频器1给出的速度运转，与此同时，工作电动机2的转子回路将产生感应电压并使回馈电动机3的转子运行，转子轴经变速机构4驱动起升机构的起升卷筒5运转；当转子转速低于给定转速时，卷筒5就加速运行，直到与给定速度相同，根据前面的分析，此时起升卷筒5将运行在低速大转矩的状态下；如果速度给定单元6给出的是高速指令，NDM-S型变频控制器会打开接触器MD、MB，工作电动机2的转子绕组与回馈电动机3定子绕组断开连接，只有工作电动机2根据变频器1的输出以单电机的方式运行，根据前面的分析，此时起升卷筒5将运行在轻载高速的状态下；参见图4，本实施例2其机械安装结构特点是工作电动机2与回馈电动机3平行安装，其转子轴都是通过连轴节9连接到共用变速机构4，变速机构再驱动起升卷筒5，本实施例2电控原理和图2的电控原理实施例相同，工作电动机2和回馈电动机3分别安装有制动器12和13。
参见图5，本实施例3其机械安装结构特点是工作电动机2及其连轴节14、变速机构15与回馈电动机3及其连轴节17、变速机构16是分别安装连接在起升卷筒5的两端，本实施例3的电控原理与图2同。
参见图6，本实施例4的机械安装结构特点是工作电动机2和回馈电动机3平行安装，各自通过连轴节9、19连接至一个共用的局部变速机构18，局部变速机构18再串接制动器7、连轴节9后连接至变速机构4，变速机构4再连接驱动起升卷筒5，本实施例4的电控原理与图2同。
参见图7，本实施例5的机械安装结构特点是工作电动机2与回馈电动机3分列起升卷筒5的两端，并且成“∏”字形安装，工作电动机2与回馈电动机3各自有输出传动链，工作电动机2输出通过连接连轴节14、变速机构15后再连接驱动起升卷筒5的一端，而回馈电动机3输出通过连接连轴节17、变速机构16后再连接驱动起升卷筒5的另一端。工作电动机2安装有制动器12，回馈电动机3则安装有制动器13。本实施例5的电控原理与图2同。
权利要求1.一种回馈式塔机变频起升机构，其特征在于由依次连接的变频器、工作电动机、回馈电动机、变速机构、起升卷筒组成，工作电动机的定子绕组与变频器输出端连接，工作电动机的转子绕组端头或者连接回馈电动机的定子绕组，或者工作电动机的转子绕组端头短接，回馈电动机的转子绕组端头短接，工作电动机的转子轴与回馈电动机的转子轴经机械变速机构共同驱动起升机构的起升卷筒。
2.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于所述的工作电动机和回馈电动机可以是完全独立的两台，也可以是安装在同一个外壳内、具有独立的两个定子和装在同一个转子轴上的两个转子所构成。其中一个定子与一个转子构成工作电动机，另一个定子和另一个转子构成回馈电动机，这种转子直接连接的两台电动机的磁极对数相同。
3.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于与变频器连接的工作电动机为绕线式转子电动机，回馈电动机可以是鼠笼式转子电动机，也可以是绕线式转子电动机，但其转子绕组接成闭合回路。
4.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于两电动机为完全独立的两台，每台电动机的转子轴分别连接一套变速机构，这两套变速机构的输出轴则分别连接到起升卷筒的两端。
5.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于两台电动机可以共用变速机构，共用变速机构的输出端与起升卷筒连接，共用变速机构的输入端经不同的传动路径分别连接两个电动机的转子轴。
6.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于两台电动机的转子轴输出端直接与共用变速机构的输入级连接，共用变速机构的输出级与起升卷筒连接。
7.根据权利要求1所述的回馈式塔机变频起升机构，其特征在于电动机尾部没有安装制动器，则在电动机与起升卷筒之间的传动链上还安装有制动器装置。
专利摘要一种回馈式塔机变频起升机构，由依次连接的变频器、工作电动机、回馈电动机、变速机构、起升卷筒组成，变频器输出端连接工作电动机的定子绕组，工作电动机的转子绕组端头或者短接，或者连接回馈电动机定子绕组，两电动机的转子轴机械并连后经变速机构驱动起升机构的起升卷筒。本实用新型解决了现行塔机功率大、成本高、调速范围小、高速偏低的技术难题，大幅度降低了变频器装机容量和系统成本，大幅度提高了起升机构最高速度，设计合理，技术性能优良。
文档编号H02K16/00GK2765893SQ20042006855
公开日2006年3月22日 申请日期2004年8月30日 优先权日2004年8月30日
发明者倪建军 申请人:倪建军