專利名稱：一種調頻施工升降機及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種施工升降設備及其控制方法，特別是涉及一種調頻施工升降機及其控制方法。
背景技術：
隨著國民經濟的高速發(fā)展，施工升降機開始在越來越多的建筑領域發(fā)揮著巨大的作用。特別是對于大工程、高層建筑等，施工升降機的作用顯得尤為重要。然而，由于生產水平的不斷進步，為了提高生產率、節(jié)約勞動時間、節(jié)省能源，人們對升降機的性能、效率、節(jié)能要求也越來越高。目前，普通施工升降機通常采用電機驅動，電機間的接線方式采用星型接法，電機采用開環(huán)V/F控制系統(tǒng)；這種施工升降機的特點是電機總在額定功率下工作，然而，在施工過程中，即使正常使用，施工升降機的載重量隨著需要是不斷變化的，當施工升降機的載重量小于其額定載重量時，升降機的使用功率就達不到到額定功率，而現有的施工升降機總在額定功率下工作，這在一定程度范圍內浪費了能源。如目前施工升降機通常的做法是用一臺變頻器驅動三臺起重專用電機，這三臺電機分別通過減速機后安裝在垂直的同一齒條上；電機額定電壓400V，額定頻率50Hz，采用星形接法。還有，采用開環(huán)V/F控制系統(tǒng)，僅靠頻率到達門檻控制制動器的啟閉，在不同的載重下，難以達到平穩(wěn)的起停效果，尤其是下降啟動時經常有下沉的感覺。
現有的施工升降機，采用開環(huán)V/F控制方式；這種施工升降機的特點是電機總在額定功率下工作，然而，在施工過程中，即使正常使用，施工升降機的載重量隨著需要是不斷變化的，當施工升降機的載重量小于其額定載重量時，升降機的使用功率就達不到到額定功率，而現有的施工升降機總在額定功率下工作，這在一定程度范圍內浪費了能源。還有，采用開環(huán)V/F控制方法，僅靠頻率到達門檻控制制動器的啟閉，在不同的載重下，難以達到平穩(wěn)的起停效果，尤其是下降啟動時經常有下沉的感覺。

發(fā)明內容
本發(fā)明的第一個目的是提供一種在不改變額定載重、額定運行速度的情況下、實現小功率電機大功率輸出、在不同載重時電機有不同的輸出功率、以節(jié)省能源且起動，停止和運行更平穩(wěn)的調頻施工升降機。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種在不改變額定載重、額定運行速度的情況下、實現小功率電機大功率輸出、在不同載重時電機有不同的輸出功率、以節(jié)省能源且起動，停止和運行更平穩(wěn)的調頻施工升降機的控制方法。
一種調頻施工升降機，包括吊籠、傳動機構、導軌架，在吊籠上還安裝有改變頻率、使在不同載重時電機有不同的輸出功率的變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)內設有升壓變頻器；根據磁通矢量控制的原理，變頻器驅動電機時，滿足下述兩個公式T＝CT*Φm*Ia(1)式中T為電機輸出轉矩，CT為電機的轉矩系數，由電機的結構決定，Φm為電機的氣隙磁通(下稱磁通)，Ia為電機的有功電流；U≈E＝CE*Φm*n(2)式中U為變頻器輸出電壓即電機電壓，E為電機的反電動勢，與電機電壓U平衡，n為電機轉速。
從(1)式中看出，為了充分發(fā)揮電機轉矩性能，必須保持磁通恒定達到設計值(電機氣隙磁場達到臨界飽和狀態(tài))，這樣，若在額定轉速(頻率)以內，輸出轉矩與電機電流成正比，其連續(xù)值的上限總能達到額定轉矩，實現恒轉矩輸出。變頻器的過載轉矩能力與電機和變頻器的電流過載能力相關。
從(2)式看出，為了保持磁通恒定，必須保證變頻器的輸出電壓與輸出頻率成正比，否則電機將不能正常工作或不能發(fā)揮其輸出性能。在電機額定電流不變的情況下，如果提高對電機的輸出電壓，同時成比例地提高對電機的輸出頻率，輸出轉矩得到保證。這樣就相當于拓展了電機的恒轉矩輸出范圍，增大了電機的輸出功率。
采用變頻器，可以在連接多臺并聯的電機時，采用磁通矢量控制，并結合其嚴密的制動控制邏輯功能，不論是上升還是下降，載重多少，都可以平穩(wěn)地起動，停止和運行。
作為改進，傳動系統(tǒng)的電機為三角形接線結構。該升降機改變傳統(tǒng)的施工升降機電機主要采用Y型接線的方式，而采用△型的接線方式，使傳動系統(tǒng)在50～87Hz范圍內具有恒定的轉矩，原因如下標準的電機具有特定的額定工作點，電機在頻率額定值時產生額定轉矩，而傳統(tǒng)的電機都采用星型接線方式，其額定頻率為50Hz，由于在更高的頻率下電壓不再增大，因此，在頻率大于額定值時的輸出轉矩減少，且磁通量降低，而采用△型的接線方式時，電機頻率可為87Hz，只有當頻率大于其額定頻率時，其輸出轉矩才會減小，在50～87Hz之間，電機的輸出轉矩是恒定的，此時改變減速機的速比，可以達到更高的運行速度。由于升降機采用變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在其他參數不改變的情況下，通過改變傳統(tǒng)的星型電機的接線方式，采用Δ型接線方式，使在轉矩穩(wěn)定的情況下增大速度，提高電機的輸出功率 倍，即在額定載重時兩個11kw電機的輸出功率為22×3=38.1kw,]]>完全滿足載重量為2T，運行速度為36米/分鐘升降機的使用要求，變頻調速系統(tǒng)改變以往的開環(huán)V/F控制，采用開環(huán)矢量控制，根據P＝FV，使升降機在不同載重時有不同的電機輸出功率，在不同程度上節(jié)約了能源。
例如在本應用中，電機的標稱額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定電流41A，額定轉速1367rpm，額定功率11KW( )，而變頻器中的電機銘牌參數改成400V，87Hz，采用ATV71變頻器驅動，進線電壓400V則其恒轉矩輸出轉速范圍可提高至2600rpm，這樣電機的額定功率也增大到18.5KW。
相應地，若電機額定頻率為60Hz，其恒轉矩頻率范圍可提高至104Hz。
這樣，原來采用三臺400V，11KW電機和減速機驅動的升降機，現在可以通過兩臺230V，11KW的電機和減速機驅動。為保持原來的線速度，需要將減速機的減速比增加為原來的1.7倍。
作為改進，這里電機轉速n又可表示為n=(1-s)60fp---(3)]]>式中s 為電機的滑差率，對變頻電機，s＝0.01-0.05p 為電機的極對數，如1，2，3，…f 為變頻器的輸出頻率即電機頻率。
作為上述方案的共同改進，導軌架安裝在地基上，吊籠安裝在導軌架上，在導軌架上設有齒條，傳動系統(tǒng)包括電機、減速機構，在減速機構內設有小齒輪，傳動系統(tǒng)安裝在吊籠的頂部，減速機構的小齒輪與導軌架的齒條嚙合。本發(fā)明的施工升降機，采用將傳動系統(tǒng)安裝在吊籠頂部的齒輪齒條傳動機構，改變了以往大噸位施工升降機必須采用對重的形式，既減輕了施工升降機的自身重量，又不影響施工升降機的額定承載能力和運行速度，而且安裝、拆卸、維護過程都簡單，易于操作。
作為進一步改進，電機的個數為兩個，功率為11kw。這改變了以往相同載重、相同速度施工升降機必須采用3個電機(3×11KW)的形式，采用變頻器后，采用的電機△型接法的額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定轉速為1400轉每分(經過滑差補償到1500轉每分)。用變頻器控制后，在電網電壓為380V時，可以將電機的額定工作電提高到額定電壓為380V，額定頻率為86.6Hz，額定轉速達2600轉每分，額定電流不變，輸出扭矩不變。這樣電機的實際可輸出功率提高了近80％。原來采用三套電機和減速機的應用，現在可以用兩套驅動。
作為進一步改進，調頻施工升降機的載重量為0～2000千克/籠，運行速度為0～46米/分鐘。
一種調頻施工升降機的控制方法，變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)采用開環(huán)矢量控制方法，包括升降機通過開環(huán)矢量控制系統(tǒng)的升壓變頻器控制，變頻器驅動電機時，磁通恒定達到設計值，即電機氣隙磁場達到臨界飽和狀態(tài)，在額定轉速以內，輸出轉矩與電機的有功電流成正比；為了保持磁通恒定，變頻器的輸出電壓與電機轉速成正比；在磁通矢量控制下，通過變頻器的制動控制邏輯直接控制電磁制動。
作為改進，傳動系統(tǒng)的電機為三角形接線結構；在電機額定電流不變的情況下，輸出電壓為電機額定電壓的 倍，實際輸出功率為電機額定功率的 倍。
作為改進，電機的轉速n與頻率f之間的關系為n=(1-s)60fp,]]>式中s 為電機的滑差率，對變頻電機，s＝0.01-0.05，p 為電機的極對數，如1，2，3，……f 為變頻器的輸出頻率即電機頻率。
作為改進，電機個數為兩個，額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定功率為11KW、額定轉速為1370轉/分鐘，通過400V供電的變頻器控制，允許施加0-400V的電壓，同時恒轉矩段延伸到87Hz，轉速為2468轉/分，每個電機的實際輸出功率達18.5KW。
本發(fā)明的有益效果是，提高了電機功率及轉速，從而提高施工升降機的施工效率；減小了電壓壓降，可省去現場升壓變壓器的配置；采用開環(huán)磁通矢量控制和抱閘邏輯，并進行多組啟停參數的設置，可以保證升降機運行的平穩(wěn)性，具有安全、可靠、結構簡單、高效率、適用范圍更加廣泛的優(yōu)點。


圖1是本實用新型的主體結構圖。
圖2是電機V/F曲線恒轉矩段延伸示意3是電機的接線方式的示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，一種施工升降機，包括外籠1、吊籠2、傳動機構3、導軌架4、變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)5、安全裝置，在變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)內設有型號為ATV71的升壓變頻器，導軌架4安裝在地基上，吊籠2安裝在導軌架4上，導軌架4穿過吊籠2，在靠近吊籠2底部吊籠2的四個側邊上圍有外籠1，在吊籠2頂部的周邊安裝有圍欄7，傳動系統(tǒng)包括電機(未示出)、減速機構(未示出)，減速機構包括最后一級輸出的傳動小齒輪(未示出)，在吊籠2上還安裝有吊桿8，在導軌架4上設有齒條9，傳動系統(tǒng)安裝在吊籠2的頂部，傳動系統(tǒng)通過減速機構的小齒輪與導軌架4的齒條9嚙合，變頻調速系統(tǒng)5安裝在吊籠2上。
其運行方式為升降機的傳動機構3安裝在吊籠2頂部，當升降機運行時，安裝在傳動機構3上的電機、減速機運轉，而減速機上的小齒輪與安裝在導軌架4上的齒條9相嚙合，齒輪在運轉的過程中沿著齒條9上下運行，從而帶動升降機吊籠2運行。
根據磁通矢量控制的原理，變頻器驅動電機時，滿足下述兩個公式T＝CT*Φm*Ia(1)式中T為電機輸出轉矩，CT為電機的轉矩系數，由電機的結構決定，Φm為電機的氣隙磁通(下稱磁通)，Ia為電機的有功電流；U≈E＝CE*Φm*n(2)式中U為變頻器輸出電壓即電機電壓，E為電機的反電動勢，與電機電壓U平衡，n為電機轉速。
電機的轉速n與頻率f之間的關系為n=(1-s)60fp,]]>
式中s 為電機的滑差率，對變頻電機，s＝0.01-0.05，p 為電機的極對數，如1，2，3，……f 為變頻器的輸出頻率即電機頻率。
如圖3所示，電機采用△型的接線方式，使傳動系統(tǒng)在50～87Hz范圍內具有恒定的轉矩。
如圖2所示，電機的標稱額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定電流41A，額定轉速1367rpm，額定功率11KW( )，而變頻器中的電機銘牌參數改成400V，87Hz，采用ATV71變頻器驅動，進線電壓400V則其恒轉矩輸出轉速范圍可提高至2600rpm，這樣電機的額定功率也增大到18.5KW。
一種調頻施工升降機的控制方法，變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)采用開環(huán)矢量控制方法，包括通過開環(huán)矢量控制系統(tǒng)的升壓變頻器控制，變頻器驅動電機時，磁通恒定達到設計值，即電機氣隙磁場達到臨界飽和狀態(tài)，在額定轉速以內，輸出轉矩與電機的有功電流成正比；為了保持磁通恒定，變頻器的輸出電壓與電機轉速成正比；在磁通矢量控制下，通過變頻器的制動控制邏輯直接控制電磁制動；傳動系統(tǒng)的電機為三角形接線結構，這樣，在電機額定電流不變的情況下，輸出電壓為電機額定電壓的 倍，實際輸出功率為電機額定功率的 倍；對于電機個數為兩個，額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定功率為11KW、額定轉速為1370轉/分鐘，通過400V供電的變頻器控制，可以允許施加0-400V的電壓，同時恒轉矩段延伸到87Hz，轉速為2468轉/分，電機的實際輸出功率為18.5KW，這樣施工升降機的載重量可達2000千克/籠，運行速度可達46米/分鐘。
權利要求
1.一種調頻施工升降機，包括吊籠、傳動機構、導軌架，其特征在于在吊籠上還安裝有改變頻率、使在不同載重時電機有不同的輸出功率的變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)內設有升壓變頻器；根據磁通矢量控制的原理，變頻器驅動電機時，必須同時滿足下述兩個公式T＝CT*Φm*Ia，式中T為電機的輸出轉矩，CT為電機的轉矩系數，由電機的結構決定，Φm為電機的氣隙磁通，Ia為電機的有功電流；U≈E＝CE*Φm*n，式中U為變頻器輸出電壓即電機電壓，CE為電機的電動勢系數，由電機的結構決定，E為繞組中的反電動勢，與U相平衡，n為電機的轉速。
2.如權利要求1所述的一種調頻施工升降機，其特征在于傳動系統(tǒng)的電機為三角形接線結構。
3.如權利要求2所述的一種調頻施工升降機，其特征在于電機的轉速n與頻率f之間的關系為n=(1-s)60fp,]]>式中s為電機的滑差率，對變頻電機，s＝0.01-0.05，p為電機的極對數，如1，2，3，……f為變頻器的輸出頻率即電機頻率。
4.如權利要求1至3任意項所述的一種調頻施工升降機，其特征在于導軌架安裝在地基上，吊籠安裝在導軌架上，在導軌架上設有齒條，傳動系統(tǒng)包括電機、減速機構，在減速機構內設有小齒輪，傳動系統(tǒng)安裝在吊籠的頂部，減速機構的小齒輪與導軌架的齒條嚙合。
5.如權利要求4所述的一種調頻施工升降機，其特征在于電機的個數為兩個，功率為11kw。
6.如權利要求5所述的一種調頻施工升降機，其特征在于調頻施工升降機的載重量為0～2000千克/籠，運行速度為0～46米/分鐘。
7.一種如權利要求1所述的調頻施工升降機的控制方法，其特征在于變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)采用開環(huán)矢量控制方法，包括升降機通過開環(huán)矢量控制系統(tǒng)的升壓變頻器控制，變頻器驅動電機時，磁通恒定達到設計值，即電機氣隙磁場達到臨界飽和狀態(tài)，在額定轉速以內，輸出轉矩與電機的有功電流成正比；為了保持磁通恒定，變頻器的輸出電壓與電機轉速成正比；在磁通矢量控制下，通過變頻器的制動控制邏輯直接控制電磁制動。
8.如權利要求7所述的一種調頻施工升降機的控制方法，其特征在于傳動系統(tǒng)的電機為三角形接線結構；在電機額定電流不變的情況下，輸出電壓為電機額定電壓的 倍，實際輸出功率為電機額定功率的 倍。
9.如權利要求8所述的一種調頻施工升降機的控制方法，其特征在于電機的轉速n與頻率f之間的關系為n=(1-s)60fp,]]>式中s為電機的滑差率，對變頻電機，s＝0.01-0.05，p為電機的極對數，如1，2，3，……f為變頻器的輸出頻率即電機頻率。
10.如權利要求9所述的一種調頻施工升降機的控制方法，其特征在于電機個數為兩個，額定電壓為230V，額定頻率為50Hz，額定功率為11KW、額定轉速為1370轉/分鐘，通過400V供電的變頻器控制，允許施加0-400V的電壓，同時恒轉矩段延伸到87Hz，轉速為2468轉/分，每個電機的實際輸出功率達18.5KW。
全文摘要
一種調頻施工升降機，包括吊籠、傳動機構、導軌架，在吊籠上還安裝有變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)，在變頻調速開環(huán)矢量控制系統(tǒng)內設有升壓變頻器；控制方法為采用開環(huán)矢量控制方法，包括磁通恒定達到設計值，即電機氣隙磁場達到臨界飽和狀態(tài)，為了保持磁通恒定，變頻器的輸出電壓與電機轉速成正比，也就是通過開環(huán)矢量控制系統(tǒng)的升壓變頻器控制，輸出電壓為電機額定電壓的0～
文檔編號H02P21/00GK101081676SQ20071002797
公開日2007年12月5日 申請日期2007年5月11日 優(yōu)先權日2007年5月11日
發(fā)明者劉躍進, 王化龍, 胡克田 申請人:廣州市京龍工程機械有限公司