CN104760889B

CN104760889B - 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

Info

Publication number: CN104760889B
Application number: CN201510125999.7A
Authority: CN
Inventors: 聂剑; 王友军; 税蔚栋; 高良儒; 唐莉; 廖多义
Original assignee: Chengdu Eternal Lasting Science And Technology Ltd
Current assignee: Chengdu Eternal Lasting Science And Technology Ltd
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: CN104760889A

Abstract

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。本发明的控制方法，通过在起升变频电机起动平稳后测量变频器输出直流功率及其输出频率，间接测量出起升重物载荷转矩，再以它和起升电机额定功率为限定条件，得到起升电机最大运行频率。再通过速度控制档位决定起升电机运行频率。本发明的控制方法，使起重机系统既工作在额定转矩内,也工作在额定功率内,达到保证安全和提高效率的双重目的。本发明的控制方法，通过测量变频器内部参数，免除了传统起重机系统中的传感器，在提高测量精度的同时，降低了系统复杂性及成本。使起重机系统更加简单，精准，高效，可靠性更高。

Description

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

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

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

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。

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m×g，初起升重物受到的拉力F＝m×(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。

本发明的定力臂起重机控制方法中，

S1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；

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＝T_m，以使系统获得一个最大的起动转矩平稳启动。

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＝m×g×R。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，m×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：

重物起升时所需要的功率；

P＝F×V即力与速度的积为功率。

T＝F×R钢绳作用到半径为R的卷筒上时，所需要的转矩。

P＝F×V＝F×ω×R＝F×(2×π×n/60)×R＝(T/R)×(2×π×n/60)×R两边同乘1000转化为kW后为：

P＝(T×n)/9550 P-(kW)…………(2-1)；

或：P＝(T×n)/9.55P-(W)…………(2-1)；

广义转动机械系统转矩公式；

其中，转速n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P_d，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，P₂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:

为IGBT开关管效率系数；

λ＝P₂/P₁；λ为起升电机电磁转换效率系数；

ε＝Pfz/P₂；ε为减速器机构机械效率系数；

∴

δ＝n₂/nfz；n₂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；

n₂＝60×(1-S)×f/ρ；异步电机异步转速；S为异步电机转差率，ρ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；

∴继而有：

令：Kdj＝160×ρ/(1-S)；电机转动参数；

电机效率参数；

Kjs＝ε×δ＝(Pfz/P₂)×(n₂/nfz)＝(Pfz/nfz)/(P₂/n₂)＝Tfz/T₂；减速机参数；

∴Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×U_d×I_d/f…(2-2)；

其中，定义域:fqd(Hz)≤f≤2×f₀；

值域:TK≤Tfz(N·m)＜Kjs×Tn；

fqd为起升电机矢量变频器的起动频率,

2×f₀为目前起升电机的最大工作频率，

f₀为工频频率50Hz；

TK为空载转矩；

Tn为电机额定转矩；

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×f₀之间。P_1N为起升电机标称额定功率，P_d≤P_1N×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P_d和对应输出频率f的测量，并据此做出判断：若Tfz＞Tfz_max，转矩超载，起升重物大于起重机允许起吊最大重量；若P_d＞P_1N×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U₀＝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。

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×U_d×I_d/f……(2-2)；

本发明的定力臂起重机控制方法中，

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U_d和整流输出直流电流I_d，变频器整流输出直流功率在2秒内波动幅度小于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I_d和起升输出频率f，利用公式(2-2)计算起升机构电机输出转矩Tfz。

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_d×I_d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三者的严格数量关系；它是广义转动机械系统转矩公式(2-1)在矢量变压变频变频器起重机系统中易于测量控制的具体表现形式。

计算起升电机最大运行频率f_max，

∵Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×U_d×I_d/f……(2-2)；

P_d＝P₂/Kdx 电机效率参数；

∴f＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×(P₂/Kdx)/Tfz

令P₂＝P_2N＝P_1N×λ，则得到对应于系统负载转矩Tfz在起升电机标称额定功率限制之下的运行频率上限-最大运行频率f_max:

∴f_max＝Kdj×Kjs×(P_2N/Tfz)＝Kdj×Kjs×(P_1N×λ/Tfz)……(2-3)；

由(2-2)代入(2-3)得：

式中，P_2N为起升电机转子侧标称额定功率，P_1N为起升电机标称额定功率，λ为起升电机电磁转换效率系数。

由此，在一个特定的起升机构电机输出转矩Tfz下，起升电机标称额定功率P_1N作为限制条件，限制了起升电机的最大运行频率f_max。对于某次特定的起升，在起升过程中，被起重的重物质量不会发生改变，也就是起升电机负载转矩不会发生改变，即起升重物对起升电机而言是一个恒转矩负载。在起升电机运行平稳后，测量出起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流功率P_d和起升电机运行频率f，即可以得到起升重物时所需要的起升机构电机输出转矩Tfz。对于某个特定的起升机构电机输出转矩Tfz，起升电机的最大运行频率f_max由起升电机的标称额定功率P_1N确定。在起重机工作过程中，变频器输出频率f≤f_max，确保起升电机工作频率始终控制不能超过f_max；这是系统的又一个安全保障措施同时又是提高工作效率明确严格的数量依据。

本发明的定力臂起重机控制方法中，

S3步，计算起升电机最大运行频率f_max，

起重机在起升重物时，有可能发生超载现象，本发明的定力臂起重机控制方法中；

S4步，判断起升电机是否超载，

如果Tfz＞Tfz_max，或P_1max＞P_1N；确定为系统超载。

Tfz_max＝m_max×g×R为起重机系统最大允许负载转矩，

式中:m_max为系统最大起吊质量，g为重力加速度，R为起升机构卷扬机半径；

式中:P_1max为在负载转矩Tfz和起升电机最大运行频率f_max下的起升电机所需功率，Tfz_max为起重机系统最大允许负载转矩；如果起重机系统一旦出现超载，也就是起升电机功率超过其标称额定功率或所起升重物质量超过起重机最大起重质量，则自动进入U₀＝0即变频器输出电压置0，起重机停车，报警示意，正向闭锁，反向开放，导向安全的超载工作方式；在得到起重机在某次特定的起升负载下的起升电机最大运行频率f_max后，起升电机的实际运行频率通过起升电机速度控制手柄所处的档位数确定。起升电机最大运行频率f_max所对应的是起升电机速度控制手柄的最高档位运行频率。最低档位运行频率为零，也就是最低档时，起升电机处于停机状态。起重机操作人员在操作时，操纵起升电机速度控制手柄到适当的档位，起升电机矢量变压变频变频器会以变换输出频率，与起升电机速度控制手柄所处的档位相适应。当起升电机速度控制手柄档位改变时，起升电机矢量变压变频变频器输出频率会作出相应的变换。

本发明的定力臂起重机控制方法中；

S5步，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

其中kdw档位由0，1，2……k_max构成；k_max为起重机起升速度总档位数；

S6步，计算相邻速度档位起升电机矢量变压变频变频器输出间隔频率值Δf，Δf＝f_max/k_max；

S7步，计算当前档位kdw对应的起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_max×kdw/k_max＝kdw×Δf；………(2-15)；

S8步，起升电机矢量变压变频变频器按间隔时间为Δt_d，以间隔频率为Δf

增加或减少频率，即以频率/时间变化率为：Δf/Δt_d的速度，使输出频率变换到fk，并保持fk运行，运行时间Ty后返回S5步循环或处理中断。

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))………(2-16)；

式中T_n为起升电机标称额定转矩，Kt为频率变化时间系数，Δt₀为频率变化基础时间。

频率增减速率＝频率变化量与时间变化量的比值＝Δf/Δt_d；……(2-16)′；

间隔时间Δt_d分为两部分，Δt₀基础时间，Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))是一个与起升机构电机输出转矩Tfz和起升电机额定转矩T_n相关的数值，Kt为频率变化时间系数，根据起重机系统不相同，取值也不相同。由公式(2-16)可知，Tfz越大，也就是所起升的重物越重，Δt_d也越大，Δf/Δt_d越小，起升电机矢量变压变频变频器变换输出频率档位的时间也就越长，递进速度越慢，反之亦然。这满足了起升重物越重，变换起升速度需要越平稳的实际工况要求。

进一步地，本发明的定力臂起重机控制方法中，

S8中所述中断为减速限位中断或限速中断或故障中断或超载中断之一。若起重机出现如限位、限速、超载、故障、重物到达目标位置等情况时，起重机会进入对应的中断服务程序处理并最终导向安全。

进一步地，本发明的定力臂起重机控制方法中，

S8步中，Δt₀取值为1秒，Kt取值为1-2秒，Ty取值为1-2秒。

进一步地，本发明的定力臂起重机控制方法中，

S1步中矢量变压变频变频器控制起升电机按起动频率fqd为0.1-5Hz。

进一步地，本发明的定力臂起重机控制方法中，

S2步中，测量变频器整流输出直流功率的采样频率为10-20Hz。进一步地，本发明的定力臂起重机控制方法中，起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流电压U_d和整流输出直流电流I_d的采样传感器采用两变量输入的霍尔传感器并能够同时测量两组变量，从而达到快速和简化测量P_d＝U_d×I_d的目的。

进一步地，本发明的控制方法中，起升电机转差率为采用修正后的转差率：

修正转差率：由交流异步电动机的机械特性图T＝f(s),关系图可知：

S＝S_n×(P_dl/P_dn)×(f_n/f)………………(3-5)；

或者：

式中：S、T为工作曲线上任意点；P_dl为变频器实测直流功率，单位kW，P_dn为变频器额定直流功率，单位kW；本实施例中：f为变频器实测频率与P_dl对应，f_n为变频器额定频率与P_dn对应。

进一步地，S2步中

S2: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U_d和整流输出直流电流I_d，变频器整流输出直流功率在1-2秒内波动幅度小于5％时，测量记录起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流电压U_d、整流输出直流电流I_d和起升电机矢量变压变频变频器输出频率f，计算起升机构电机输出转矩Tfz：

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×(U_d×I_d)/f

式中，Kdj＝160×ρ/(1-S)；Kjs＝ε×δ；为变频器DC-AC转换过程中IGBT开关管效率系数；λ为起升电机电磁转换效率系数；ε为减速机构机械效率系数；δ为减速机构传动比；ρ为起升电机磁极对数；S为起升电机转差率；U_d为矢量变压变频变频器整流输出直流电压；I_d为矢量变压变频变频器整流输出直流电流，P_d为矢量变压变频变频器整流输出直流功率。

本发明的有益效果是：

本发明以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机系统控制方法，在现有起重机系统安全控制仅对起重物质量m单因素限制的基础上，增加了对其工作速度f∝n这一因素进行限制，从而全面地保证了起重机系统的安全运行；与此同时，由于引入对其工作速度f的控制，进而产生的另一效果就是在充分保障系统安全运行的前提下，又使系统可以定量准确地工作在最高的安全速度f_max之下，因此扩大了其调速范围、提高了工作效率；

本发明的定力臂起重机系统控制方法，通过起重机在完成起动过程后，对起升电机矢量变压变频变频器输出直流电功率P_d＝U_d×I_d和输出频率f即起升电机运行频率进行测量，测算出起升机构电机输出转矩Tfz，间接测算出起重机的起升负载转矩，使系统测量不再需要加于变频器以及电机外部的重力传感器和速度传感器，再通过起升机构电机输出转矩Tfz计算出起升电机在标称额定功率运行下对应的运行频率，将其作为当次起重对应Tfz的可允许最大运行频率f_max。最后控制起升电机运行频率在可允许最大运行频率f_max之内运行。在实际操作中，起重机操作人员根据现场情况，需要低速起升时，操作者可以把起升电机速度控制手柄放到低速档位。当操作者把起升电机速度控制手柄放到最高档位时，起升电机运行也不会超过可允许最大运行频率f_max并保持最高运行频率运行，在确保系统安全的前提下充分提高了起重系统的工作效率。

本发明的定力臂起重机控制方法，通过测量起升电机矢量变压变频变频器整流部分输出直流功率的方式得到控制参数，不再需要交流功率测量，因直流功率测量简洁准确方便可靠，简化了控制系统和手段，提高了测量的方便性和准确性。同时采用测量矢量变压变频变频器输出频率加上对转差率S进行载荷修正的方式得到起升电机转速，不再需要起升电机转子转速传感器，简化系统测量手段的同时，也提高了测量精度和便捷性；并避免了现有技术中的测量方法所带来的测量困难，测量手段复杂，受环境和安装方式影响极大而造成的测量不准确的弊端；大大节省了现有技术中传感器硬件成本和安装调试运行成本以及安装方法和位置带来的测量困难和不准确问题；同时，本发明的控制方法，所需要测量的所有参数均在变频器内部完成，转换现有的外部测量为内部测量，使系统控制测量更加准确方便节约并便于进一步的系统集成。本申请的起升电机矢量变压变频变频器整流部分输出直流功率采用两变量输入的霍尔传感器测量，可以同时测量直流电压和直流电流，直接得到直流功率，使测量更稳定可靠、方便准确，针对性更强，成本有所降低，方便系统内部集成。

本发明的定力臂起重机控制方法，可以保证起重机系统既安全又高效的运行目的；进而驾驶者可以专注于现场工况环境的观察而不需要担心由于估计错误造成过载超速的发生。同时所需要的数据测量方式由动态转为静态，由外部转为内部，由间接转为直接，测量方式的转变，克服了硬件开销，设备安装困难、测量受传感器安装位置方式影响而测量不准确、技术实现复杂困难、高成本等的弊端。

本发明的定力臂起重机控制方法，不再需要重力传感器和起升电机转子转速传感器，节省系统硬件安装运行成本，有效提升了起重机系统测控质量和整机装备性。

本发明的定力臂起重机控制方法，由于采用了较为严格的定量分析计算，对整机和机构设备生产厂家的原始设计等提供了验证补充手段，对安全裕量分析，预警判断，安全性提高等方面可以起到进一步的补充和完善的作用。

附图说明

图1为本发明的实施例中起升变频电机参数。

图2为本发明的实施例中起升机构特性参数。

具体实施方式

实施中，起升变频电机参数如图1所示；起升机构电机参数如图2所示。

实施例1：

本实施例的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法。包括以下步骤：

S1:起升电机矢量变压变频(VT-VVVF下同)变频器控制起升电机按起动频率fqd运行起动：

本实施列中，VT-VVVF变频器控制起升电机按起动频率为0.5Hz。本实例选择的变频器自动选择启动项；

S2:起升电机起动后，逐渐增加变频器输出频率至测量频率f，f的原则是在尽可能低频下保证不超载和起升平稳，本例为15Hz；测量起升电机VT-VVVF变频器整流输出直流电压U_d和直流电流I_d，其对应直流功率P_d＝U_d×I_d在1秒内波动幅度小于5％时，测量记录其值P_d＝U_d×I_d和输出频率f，计算起升机构电机输出转矩Tfz：

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×(U_d×I_d)/f....(2-2)；

本实施例中，系统运行条件参数如下：

变频器DC-AC转换过程中IGBT开关管效率系数

起升电机电磁转换效率系数λ＝0.85；

减速机构机械效率系数ε＝0.8；

减速机构传动比δ＝148，此传动比按转速计算；

起升电机额定功率P_1N＝110kW，对应P_1N的VT-VVVF变频器整流额定输出直

流功率起升电机磁极对数ρ＝4，起升电机同步转速n₀＝750r/min，额定转速nN＝722r/min；

起升电机额定转差率为:Sn＝(n₀-n_N)/n₀＝(750-722)/750＝0.0373；

Kdj＝160×ρ/(1-S)＝160×4/(1-0.0373)＝664.8；

Kjs＝ε×δ＝0.8×148＝118.4；

检测到起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流功率在1秒内，波动幅度小于5％时，再检测记录，此时其整流输出直流功率P_d＝34.57kW，输出频率f＝15Hz,则

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f

＝664.8x0.8075x118.4x34.57/15＝146485.07N·m；

由图2知：Tfz＝146485.07N·m<147000N·m＝m_max×g×R＝10000x9.8x1.5；其中m_max为最大允许起重量，g为重力加速度，R为起重卷扬盘半径；Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；

S3:计算起升电机最大运行频率f_max：

本实施例中，起升电机标称额定功率P_1N＝110kW，

S4：判断起升电机是否超载：

判据：1.实测负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定允许负载转矩；

由S2知：Tfz＝146485.07N·m<Tfz_max＝147000N·m，Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；但Tfz非常接近Tfz_max，可断定此时吊重已非常接近系统允许的最大吊重量了，操作要小心谨慎；安全但非常接近极限；

2.判断起升电机同时工作在Tfz和最大频率f_max情况下极限功率P_1max是否超其额定功率P_1N：

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f......(2-2)；

≤P_1N＝110kW，安全；

故可判断，起升电机实测负载转矩不大于设备生产厂家给定允许负载转矩，但已非常接近其极限值，故应小心谨慎安全驾驶；同时工作在实测负载转矩Tfz和最大频率为f_max时，其在额定功率范围内的极限值，不超载。安全判断同时也起到了分析预警作用；

S5，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

其中kdw档位由0，1，2…..k_max构成；k_max为起重机起升速度总档位数；

本实施例中，总档位数为8档。

S6，计算相邻速度档位起升电机矢量变压变频变频器输出间隔频率值Δf,

Δf＝f_max/k_max

本实施例中，输出间隔频率值Δf＝f_max/k_max＝50.24/8＝6.28Hz；

S7，计算当前档位起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_max×kdw/k_max＝kdw×Δf；kdw为速度控制手柄当前档位；

检测速度控制手柄当前档位为第4档，起升电机输出频率

fk＝kdw×Δf＝4x6.28＝25.12Hz；

S8，起升电机矢量变压变频变频器按间隔时间为Δt_d，间隔频率为Δf增加

或减少频率，使输出频率变换到fk，

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×T_n))

本实施例中，频率变化时间系数Kt为1.5秒，频率变化基础时间Δt₀＝1S，

频率变换间隔时间

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×T_n))

＝1+1.5x(146485.07/(118.4x1455))＝2.275S；

档位增减速率＝频率/时间变化率＝(频率增量)/(时间增量)＝Δf/Δt_d；

档位增减速率＝Δf/Δt_d＝6.28/2.275＝2.76Hz/S；矢量变压变频变频器频率输出到fk＝25.12Hz后，保持25.12Hz运行，运行时间Ty后返回S5步循环或处理中断。S8中所述中断为减速限位中断或限速中断或故障中断或超载中断之一。检测速度控制手柄当前档位kdw，若起重机出现如限位、限速、超载、故障、重物到达目标位置等情况时，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

实施例2：

本实施例与实施例1区别为，起升电机转差率为采用修正后的转差率，

根据：S＝S_n×(P_d/P_dn)×(f₀/f)………………(3-5)；

或者

本实施例的系统运行条件参数同实施例1:

当实测VT-VVVF变频器整流输出直流功率P_d＝34.57kW时，

未经修正额定转差率S_n即额定转差率计算：

S_n＝(n₀-nN)/n₀＝(750-722)/750＝0.0373；

修正后转差率:

采用修正后的转差率S计算起升电机输出转速为：n_N＝n₀-S×n₀＝750-0.03712×750＝722.16r/min。实际测量时，起升电机转速为723r/min。采用修正后的转差率S较使用未经修正的额定转差率Sn来计算起升电机输出转速与实际测量得到转速误差更小；由此得出采用前者代替后者计算起升电机输出转速，误差更小，更为接近实际。另，由于修正后的S与S_n相差极小，说明此时起升机构电机转矩Tfz已非常接近Tfz_max了；可以通过实际转差率和额定转差率的比较间接分析系统载荷状况，这也是转差率修正带来的一个效果；

S2:修正后转差率S＝0.03712:

Kdj＝160×ρ/(1-S)＝160x4/(1-0.03712)＝664.67；

Kjs＝ε×δ＝0.8x148＝118.4

则Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f

＝664.67x0.8075x118.4x34.57/15＝146456.426N·m；

由上知：Tfz＝146456.426N·m<Tfz_max＝147000N·m；Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；这说明当转差率S变小后，电机实际的负载转矩也变小了，故负载转矩比使用额定转差率S_n计算出的结果要小，与实施例1比较，有所降低，这是由于转差率降低造成的；更符合实测的结果；

S3:

本实施例中，起升电机标称额定功率P_1N＝110kW，

S4：判断起升电机是否超载：

判据：1.实测负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定允许负载转矩；由S2知：Tfz＝146456.426N·m<Tfz_max＝147000N·m；Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；但Tfz非常接近Tfz_max，可断定此时吊重已非常接近系统允许的最大吊重量了，操作要小心谨慎；安全但非常接近极限。

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f..................(2-2)；

安全。

故可判断，起升电机实测负载转矩不大于设备生产厂家给定允许负载转矩；同时工作在实测负载转矩Tfz和最大频率为f_max时，其在额定功率范围内的极限值，不超载。与实施例1相较可知，由于实际转差率S的降低，系统起升负载转矩Tfz下降了，故系统安全裕度较之未修正前有所提高。

S5，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

其中kdw档位由0，1，2…..k_max构成；k_max为起重机起升速度总档位数。

本实施例中，总档位数为8档，检测速度控制手柄当前档位为第4档。

S6，计算相邻速度档位起升电机矢量变压变频变频器输出间隔频率值Δf,Δf＝f_max/k_max；

本实施例中，输出间隔频率值Δf＝f_max/k_max＝50.24/8＝6.28Hz。

S7，计算当前档位起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_max×kdw/k_max＝kdw×Δf；kdw为速度控制手柄当前档位；

检测速度控制手柄当前档位为第4档，起升电机输出频率

fk＝kdw×Δf＝4X6.28＝25.12Hz。

S8，起升电机矢量变压变频变频器按间隔时间为Δt_d，间隔频率为Δf增加或减少频率，使输出频率变换到fk；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))；

本实施例中，频率变化时间系数Kt为1.5秒，频率变化基础时间Δt₀＝1秒，频率变换间隔时间

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))＝1+1.5x(146456.426/(118.4X1455))＝2.275S；

频率增减速率＝频率变化量与时间的比值＝Δf/Δt_d；

本实施例中，频率增减速率＝Δf/Δt_d＝6.28/2.275＝2.76Hz/S；

矢量变压变频变频器频率输出到fk＝25.12Hz后，保持25.12Hz运行，运行时间1S后返回S5步循环或处理中断。S8中所述中断为减速限位中断或限速中断或故障中断或超载中断之一。检测速度控制手柄当前档位kdw，若起重机出现如限位、限速、超载、故障、重物到达目标位置等情况时，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。由此例数据看出，其与实施例1相差甚小，这主要是由于此时系统负载已非常接近额定载荷了，额定转差率S_n与实际转差率S已十分接近，故两者计算结果也非常接近。

实施例3：

S1:起升电机矢量变压变频变频器控制起升电机按起动频率fqd运行起动；

本实施列中，VT-VVVF变频器控制起升电机按起动频率为5Hz。启动频率由所选变频器决定。

S2:起升电机起动后，测量起升电机VT-VVVF变频器整流输出直流电压U_d和直流电流I_d，P_d＝U_d×I_d；在2秒内其波动幅度小于10％时，测量记录VT-VVVF变

频器P_d及其输出频率f，计算起升机构电机输出转矩Tfz：

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×(U_d×I_d)/f.....(2-2)；

本实施例中：系统运行条件参数如下：

变频器DC-AC转换过程中IGBT开关管效率系数

起升电机电磁转换效率系数λ＝0.85，

减速机构机械效率系数ε＝0.8，

减速机构传动比δ＝148，此传动比按转速计算；

起升电机磁极对数ρ＝4，起升电机额定转差率为0.0373；

Kdj＝160×ρ/(1-S)＝160x4/(1-0.0373)＝664.8

Kjs＝ε×δ＝0.8x148＝118.4；

起升电机额定转差率为:S_n＝(n₀-n_N)/n₀＝(750-722)/750＝0.0373；

检测到起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流功率在2秒内，波动幅度小于10％时，再检测记录矢量变压变频变频器整流输出直流功率为20.83kW，矢量变压变频变频器输出频率f＝15Hz,

则Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝664.8x0.8075x118.4x20.83/15＝88263.93N·m；

Tfz＝88263.93N·m<Tfz_max＝147000N·m,Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；

S3:计算起升电机最大运行频率f_max，

本实施例中，起升电机侧标称额定功率P_1N＝110kW，

S4：判断起升电机是否超载：

判据：1.实测负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定允许负载转矩；由S2知：Tfz＝88263.93N·m<Tfz_max＝147000N·m Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；由上可以看出，Tfz远小于Tfz_max，此时重物负载距离系统允许最大负载还有较大差距；安全并具有较大裕度。

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f......(2-2)；

安全；

故可判断，起升电机实测负载转矩工作在允许范围内，安全；同时工作在实测负载转矩Tfz和最大频率为f_max时，其在额定功率范围内的极限值，整体情况为工作在系统安全范围内，安全驾驶；

S5：检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw：

本实施例中，总档位数为16档。

S6：计算相邻速度档位起升电机矢量变压变频变频器输出间隔频率值Δf

Δf＝f_max/k_max；

本实施例中，输出间隔频率值Δf＝f_max/k_max＝83.38/16＝5.21Hz。

S7：计算当前档位起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_max×kdw/k_max＝kdw×Δf；kdw为速度控制手柄当前档位；

检测速度控制手柄当前档位为第13档，起升电机输出频率

fk＝kdw×Δf＝13x5.21＝67.75Hz；

S8：起升电机矢量变压变频变频器按间隔时间为Δt_d，间隔频率为Δf增加或减少频率，使输出频率变换到fk；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×T_n))；

本实施例中，频率变化时间系数Kt为2秒，频率变化基础时间Δt₀＝1秒，频率变换间隔时间

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))

＝1+2x(88263.93/(118.4x1455))＝2.025S；

位增减速率＝频率/时间变化率＝(频率增量)/(时间增量)＝Δf/Δt_d；

档位增减速率＝Δf/Δt_d＝5.21/2.025＝2.57Hz/S；

矢量变压变频变频器频率输出到fk＝67.75Hz后，保持67.75Hz运行，运行时间2秒后返回S5步循环或处理中断。S8中所述中断为减速限位中断或限速中断或故障中断或超载中断之一。检测速度控制手柄当前档位kdw，若起重机出现如限位、限速、超载、故障、重物到达目标位置等情况时，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

实施例4：

本实施例与实施例3区别为，起升电机转差率为采用修正后的转差率，

本实施例的系统运行条件参数同实施例3:

S1:当实测VT-VVVF变频器整流输出直流功率P_d＝20.83kW时，

未经修正额定转差率S_n计算：

S_n＝(n₀-n_N)/n₀＝(750-722)/750＝0.0373；

修正转差率：

根据：S＝S_n×(P_d/P_dn)×(f₀/f)………………(3-5)；

或者

采用修正后的转差率S计算起升电机输出转速为：n_N＝n₀-S×n₀＝750-0.022367×750＝733.225r/min。实际测量时，起升电机转速为735r/min。采用修正后的转差率S较使用未经修正的额定转差率S_n来计算起升电机输出转速与实际测量得到转速误差更小；由此得出采用前者代替后者计算起升电机输出转速，误差更小，更为接近实际。

S2:Kdj＝160×ρ/(1-S)＝160x4/(1-0.022367)＝654.642；

Kjs＝ε×δ＝0.8x148＝118.4；

则Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f

＝654.642x0.8075x118.4x20.83/15＝86915.326N·m

由图2知：Tfz＝86915.326N·m<Tfz_max＝147000N·m；Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩。

这说明当转差率S变小后，电机实际的负载转矩也变小了，故负载转矩比使用额定转差率S_n计算出的结果要小，更符合实测的结果；

S3:计算起升电机最大运行频率f_max，

本实施例中，起升电机侧标称额定功率P_1N＝110kW

S4：判断起升电机是否超载：

判据：1.实测负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定允许负载转矩；由S2知：Tfz＝86915.326N·m<Tfz_max＝147000N·m；Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；工作在允许负载转矩极限范围内，由上可以看出，Tfz远小于Tfz_max，此时重物负载距离系统允许最大负载还有较大差距；安全并具有较大裕度；

2.判断起升电机同时工作在Tfz和最大频率f_max情况下极限功率P_1max是否超其额定功率P_1N；

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f......(2-2)；

故可判断，起升电机实测负载转矩工作在允许负载转矩极限范围内，安全工作；同时工作在实测负载转矩Tfz和最大频率为f_max时，其在额定功率范围内的极限值，

整体情况视为工作在系统极限值范围内，安全工作；与实施例3相较可知，由于实际转差率S的降低，系统起升负载转矩Tfz下降了，故系统安全裕度较之未修正前有所提高；

S5，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

本实施例中，总档位数为16档，检测速度控制手柄当前档位为第13档。

本实施例中，输出间隔频率值Δf＝f_max/k_max＝83.38/16＝5.21Hz。

S7，计算当前档位起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_max×kdw/k_max＝kdw×Δf；kdw为速度控制手柄当前档位；

检测速度控制手柄当前档位为第13档，起升电机输出频率

fk＝kdw×Δf＝13x5.21＝67.75Hz。

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))；

本实施例中，频率变化时间系数Kt为2秒，频率变化基础时间Δt_d＝1秒，频率变换间隔时间Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×Tn))＝1+2x(86915.326/(118.4x1455))＝2.009S；

频率增减速率＝频率变化量与时间的比值＝Δf/Δt_d；

本实施例中，频率增减速率＝Δf/Δt_d＝5.21/2.009＝2.59Hz/S；

由例4与例3相比可以看出，在负载正常变化情况下，转差率S的变化对电机转速n和系统实测负载转矩Tfz有一定的影响；对其它参数影响都很小。

Claims

1.一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，其特征是以下步骤：

S2: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U_d和整流输出直流电流I_d，变频器整流输出直流功率在1-2秒内波动幅度小于10％时，测量记录起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流电压U_d、整流输出直流电流I_d和起升电机矢量变压变频变频器输出频率f，计算起升机构电机输出转矩Tfz：

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×(U_d×I_d)/f

式中，Kdj＝160×ρ/(1-S)；Kjs＝ε×δ；为变频器DC-AC转换过程中IGBT开关管效率系数；λ为起升电机电磁转换效率系数；ε为减速机构机械效率系数；δ为减速机构传动比；ρ为起升电机磁极对数；S为起升电机转差率；U_d为矢量变压变频变频器整流输出直流电压；I_d为矢量变压变频变频器整流输出直流电流，P_d为矢量变压变频变频器整流输出直流功率；

S3:计算起升电机最大运行频率f_max，

式中，P_2N为起升电机转子侧标称额定功率,P_1N为起升电机标称额定功率；

S4：判断起升电机是否超载，

如果Tfz＞Tfz_max，或P_1max＞P_1N；则矢量变压变频变频器输电压置0，起重机报警停车，正向闭锁，反向开放，导向安全；

式中，Tfz_max＝m_max×g×R为起重机系统最大允许负载转矩，m_max为系统最大起吊质量，g为重力加速度，R为起升机构卷扬机半径；

P_1max为在负载转矩Tfz和起升电机最大运行频率f_max下的起升电机所需功率；

S5，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

Δf＝f_lmax/k_max；

S7，计算当前档位起升电机矢量变压变频变频器输出频率fk，

fk＝f_1max×kdw/k_max＝kdw×Δf；

S8，起升电机矢量变压变频变频器按间隔时间为Δt_d，间隔频率为Δf增加或减少频率，使输出频率变换到fk，保持fk运行，运行时间Ty后返回S5步循环或处理中断；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tfz/(Kjs×T_n))；

式中，Kt为频率变化时间系数，Δt₀为频率变化基础时间，T_n为起升电机额定转矩。

2.根据权利要求1所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，S8中所述中断为减速限位中断或限速中断或故障中断或超载中断之一。

3.根据权利要求1或2所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，S8步中，Δt₀取值为1秒，Kt取值为1-2秒，Ty取值为1-2秒。

4.根据权利要求3所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，S1步中矢量变压变频变频器控制起升电机按起动频率fqd为0.1-5Hz。

5.根据权利要求4所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，S2步中，测量变频器整流输出直流功率的采样频率为10-20Hz。

6.根据权利要求5所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流电压U_d和整流输出直流电流I_d的采样传感器采用霍尔传感器。

7.根据权利要求6所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，所述霍尔传感器直接输出直流功率P_d。

8.根据权利要求5所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是，

起升电机转差率为采用修正后的转差率：

式中，S_n为起升电机额定转差率，P_d为起升电机矢量变压变频变频器整流输出直流功率，f为与P_d对应的测量频率，P_dn为起升电机矢量变压变频变频器整流输出额定直流功率，f₀为工频频率，P_1N为起升电机标称额定功率。

9.根据权利要求7所述的以矢量变压变频变频器为电源的定力臂起重机控制方法，其特征是S2步替换为，

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝Kdj×Kdx×Kjs×(U_d×I_d)/f