CN104817018B

CN104817018B - 一种以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法

Info

Publication number: CN104817018B
Application number: CN201510125975.1A
Authority: CN
Inventors: 聂剑; 王友军; 税蔚栋; 高良儒; 唐莉; 王毅
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: CN104817018A

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变力臂起重机控制方法。本发明的控制方法，通过测量变频器直流功率以及输出频率，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和起重力臂以及安全负载转矩共同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；同时起重机起升负载转矩小于等于安全负载转矩，起重机不会倾覆。通过测量变频器内部参数，减少了传统起重机中的传感器数量，提高了测量精度、降低了系统复杂性和成本。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变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变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，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。部分起重机仅带动重物上升或下降。另部分起重机则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或坍塌或超载，即：既不能超重，也不能超速，同时还要避免发生重物的突然下落：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，用以向操作人员反馈信息，使他在操作起重机时，可以方便了解其工作状态，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实际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，而没有考虑到其安全工作速度的限制，因此就无法在其确保安全的前提下提高工作效率。并缺少针对性的安全自动控制对策。由于所使有的传感器都是外接安装，硬件成本、安装方式、测量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一种以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机系统控制方法，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，为了保证起动平稳，需要一个较低的转速。所以起重机的起升电机，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人们选用其作为起重机电源的原因。

本发明的以VT-VVVF变频器为电源的变力臂起重机控制方法中；

S1步，起升电机矢量变频器控制起升电机按起动频率fqd运行起动；

矢量变频起重机在启动时，不同的生产厂家，其输出的启动频率不尽相同，共同的特点是：输出给起升电机一个非常低的启动频率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并平稳启动。

在起重机系统中，有两种不同类型的负载转矩，第一类为起升机构电机输出转矩Tfz＝m×g×R，其中m为被起升重物质量，R为起升减速机构卷扬盘半径。第二类为起重机系统起升负载转矩Tl＝m×g×L，其中，m为被起升重物质量，L为起重机系统起重力臂。

如果起重机系统只有第一类负载转矩，这些起重机中，L＝R,Tfz＝Tl＝m×g×R，如门式起重机，桥式起重机等，这种只有第一类负载转矩的起重机称为定力臂起重机。

如果起重机系统中，同时具有第一类和第二类负载转矩，这类起重机中，起升机构电机输出转矩Tfz＝m×g×R，起重机系统起升负载转矩Tl＝m×g×L；Tfz只与被起升重物质量m相关与起重机系统起重力臂L无关，而Tl与m和L同时相关，如塔式起重机，港口起重机等。这种同时具有第一类和第二类负载转矩的起重机称为变力臂起重机。本方案是重点针对变力臂起重机系统的解决方案。

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两边同除以1000转化为kW单位后为：

P＝(T×n)/9550 P-(kW)…………………………(2-1)；

或：P＝(T×n)/9.55 P-(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即使转每分，功率P，单位为：kW或W；转矩T，单位为：N·m；

矢量变频器中，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，起升电机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:

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，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＝U_d×I_d和输出频率f的测量，据此做出判断：

1：若Tfz>Tfz_max＝m_max×g×R，m_max为系统最大起吊质量；

转矩超载，起升重物大于起重机允许起吊最大重量；

2：若

功率超载，起重机电源功率大于起升电机标称额定功率；

3：在力臂为L时，若Tl＝m×g×L>Taq；由起重机载荷特性(Load-diagrms)决定；起重机起升负载转矩大于系统安全负载转矩；

起重机整体平衡状态超载可能出现倾翻；以上3个条件任一满足，起重机系统都处于超载状态；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。

本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法中，

S2步，起升电机起动稳定后，测量起升电机矢量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5-10％时，测量记录其整流输出直流电压U_d、直流电流I_d即直流功率P_d＝U_d×I_d和对应输出频率f，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；起升机构电机输出转矩Tfz与矢量变频器的整流输出直流功率P_d及其输出频率f存在着直接精确的数量关系，即负载与动力关系，它实际上是公式(2-1)在矢量变频器起重机系统中的一个具体数学表现形式。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——恒转矩负载，在起升电机运行平稳后，通过测量出矢量变频器的直流功率P_d及其输出频率f即可以得到起升机构电机输出转矩Tfz。公式(2-2)主要根据矢量变频器起重机系统的实际工作原理，选取了对矢量变频器最为易于测量的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三者之间严格数量关系；它是广义转动机械系统转矩公式(2-1)在矢量变频器起重机系统中易于测量控制的具体数学表现形式。

在变力臂起重机系统中，变幅机构工作时会引起起重机系统起重力臂L的变化,被起升重物m×g与L共同产生的转矩Tl＝m×g×L,称为起重机系统起升负载转矩，会对起重机产生一个倾翻作用。

在变力臂起重机中，若不考虑倾翻和机械结构载荷强度安全问题，仅考虑起升电机经起升机构起吊重物能力时，

∵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

＝Kdj×Kjs×P₂/Tfz

令P₂＝P_2N＝P_1N×λ，则得到对应于起升机构负载转矩Tfz在起升电机标称额定功率P_1N限制之下的运行频率上限，即功率不超载最大运行频率f_max:

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

由(2-2)代入(2-3)得：

式中，P_d为VT-VVVF变频器直流输出功率，P_1N为起升电机标称额

定功率，为VT-VVVF变频器内IGBT开关管效率系数；

S3步，由2-4式计算起升电机系统不超载最大运行频率f_max；

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，限制了起升电机的不超载最大运行频率f_max。对于某次特定的起升作业，在起升过程中，被起重的重物质量m不会发生改变，也就是起升电机负载不会发生改变，即起升重物m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。对应于某个特定的起升机构电机输出转矩Tfz，起升电机的不超载最大运行频率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；这既是系统的又一个安全保障因素同时又是提高工作效率的明确严格的数量依据。

变力臂起重机工作时，被起升重物m×g会对起重机产生一个起重机系统起升负载转矩Tl＝m×g×L，L为起重机系统起重力臂；Tl对起重机系统产生一个倾翻作用，同时对桁架、标准节等机械结构载荷强度产生重要影响。变幅机构工作时会引起L的变化，从而引起Tl也随之发生变化。

起重机系统起升负载转矩Tl为：

Tl＝m×g×L

起升电机在起升时，所需要的起升机构电机输出转矩Tfz为：

Tfz＝m×g×R

由上面两式可以得出：

Tl＝(L/R)×Tfz；…………………………..…(2-5)；

对变力臂起重机而言，需要严格限制起重机系统起升负载转矩Tl的最大值，以防止起重机倾翻，机械结构载荷强度在设计允许范围内，确保安全。很显然，起重机系统起重力臂L越大时，允许被起升重物的质量m越小。变力臂起重机生产厂家会给定不同起重机系统起重力臂L下的最大倾翻转矩限定值。这个限定值以变力臂起重机载荷特性Load-diagrams给出，起重机系统生产厂家以L-Taq二维表形式给出的其二者的对应关系，是变力臂起重机系统的安全极限运行的判据标准；在这里，系统起升负载转矩和安全负载转矩都变成了力臂L的函数：Tl(L)和Taq(L)；变力臂起重机在起重机系统起重力臂为L时，起重机系统起升负载转矩Tl不能超过载荷特性二维表中L对应下的起重机安全负载转矩Taq；Tl＝(L/R)×Tfz与L成正比关系，Taq与L成反变关系；如果Tl<Taq,则系统安全；如果Tl≥Taq，则停车告警，正向闭锁，反向开放，并导向安全，以使系统确保运行安全。

S4步，测量起重机系统起重力臂L，并实时计算起重机系统起升负载转矩Tl，Tl＝(L/R)×Tfz；根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用查表插值法计算在L起重机系统起重力臂下的起重机安全负载转矩Taq；

S5步，判断变力臂起重机在系统是否超载而处于不安全工作状态：依据以下三个判据：

1：实测起升机构电机负载转矩Tfz不大于设备生产厂家给定最大允许机构负载转矩Tfz_max：Tfz≤Tfz_max；

2：起重机系统起重力臂L下，系统起升负载转矩Tl不大于该点的安全负载转矩Tfz：Tl＝(L/R)×Tfz≤Taq；

3：判断起升电机同时工作在Tfz和与其对应的最大频率f_max情况下，

极限功率P_1max不大于电机额定标称功率P_1N；P_1max≤P_1N；

以上三个条件同时满足时，系统即处于安全工作状态，其中之一不被满足，即系统超载，则视为系统没有满足安全工作条件，工作在不安全环境当中；系统一旦出现超载状态，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；

不超载情况下执行以下步骤：

S6步，计算在起重机系统起重力臂L下的起升电机最大运行频率f_lmax；

Tl＝(L/R)×Tfz………(2-5)；

f_lmax＝Kbz×f_max……..…(2-7)；式中，

当L≥L₀时

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq……(2-8)；

L<L₀时，Kbz＝1；

式中，L为起重机系统起重力臂，R为起升减速机构卷扬盘半径，Taq为起重机系统起重力臂等于L时对应的起重机安全负载转矩,Tl为L起重机系统起重力臂下的起重机系统起升负载转矩，L₀为变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表中最大起重质量对应的最大起重力臂；在变力臂起重机系统中，第一个主要的安全因素是起重机系统载荷特性-安全负载转矩Taq：无论起重机系统工作在什么状态下，其系统起升负载转矩Tl<Taq的关系必须得到保证；这是变力臂起重机系统安全工作的前提和必要条件；其次是，在变力臂起重机系统的起升过程中，起升电机的最大运行频率f_lmax，由起升电机标称额定功率P_1N、起重机系统起重力臂L体现为载荷特性Load-diagrams-Taq和所起升重物的质量m共同决定。可以得出：一方面如果起升物质量m增大，起升机构电机转矩Tfz＝m×g×R随之增加，由公式(2-2)，(2-4)知，在起升电机标称额定功率P_1N限制下，f_max随之降低了，由公式(2-7)知f_lmax随之降低，起重机起降速度减慢；另一方面，如果系统起重力臂L增大时，在安全负载转矩Taq限制下，起重机系统起重力臂L增大，起重机安全负载转矩Tl增大，安全负载转矩Taq下降，Kbz下降，从而L起重机系统起重力臂下的起升电机最大运行频率f_lmax减小,起重机起降速度减慢。

同样分析方法：如果起吊重物质量m减小起升机构电机输出转矩Tfz减小，从而L起重机系统起重力臂下的起升电机最大运行频率f_lmax增大，起重机起降速度加快；如果系统起重力臂L减小：起重机安全负载转矩Tl减小，安全负载转矩Taq增大，Kbz增大，从而L起重机系统起重力臂下的起升电机最大运行频率f_lmax增大，起重机起降速度加快。

由此可见：当起吊重物质量m增大或是系统起重力臂L增大时，起重机起降速度减慢了，这一特征使系统在起重工作过程中导向安全；相反，当起吊重物质量m减小或是系统起重力臂L减小时，起重机起降速度加快了，这一特征使系统在起重工作过程中效率提高；在充分保证起重机系统工作安全的前提下，精准地提高其工作效率，正是本发明的最终目的。

进一步，这一处理原则和方法还适用于起重机的变幅，行走，回转系统，其目的是同样的，达到了整机系统的提升安全性能，提高工作效率目的。

变力臂起重机在工作过程中，起升电机的实际运行频率需要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_lmax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，起升电机矢量变频器会以一定的频率变化速度Δf/Δt_d变化输出频率，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，起升电机矢量变频器输出频率会作出相应的变换。

S7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；

k_max为起重机起升速度总档位数；

S8步，计算相邻速度档位起升电机矢量变频器输出间隔频率Δf,

Δf＝f_lmax/k_max；

式中，k_max为起重机起升速度总档位数；f_lmax为起升电机最大运行频率；

S9步，计算当前档位起升电机矢量变频器输出频率fk，

fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf……………………(2-15)

S10步，起升电机矢量变频器按间隔时间Δt_d秒，间隔频率Δf增加

或减少频率，按Δf/Δt_d的速率进行频率的递增或递减；使

输出频率变换到fk，并保持fk运行，运行时间Ty后返回S4步循环或处理中断。

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq……(2-17)；

频率增减速率＝频率变化量与时间的比值

＝频率增量/时间增量＝Δf/Δt_d；………………(2-17)′；

间隔时间Δt_d分为两部分，Δt₀为频率变化基础时间，Kt×(Tl/Taq)是一个与起重机系统起升负载转矩Tl和安全负载转矩Taq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(2-17)可知，Tl越大，也就是所起升的重物越重或力臂越大，Δt_d也越大，Δf/Δt_d越小，起升电机矢量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或力臂越大，变换起升速度需要越平稳的要求。

进一步地，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，S10步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，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

进一步地，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，S10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，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，S1步中起升电机起动频率fqd为0.1-5Hz。

进一步地，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，测量变频器整流输出直流功率的采样频率f为10-20Hz。

进一步地，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，起升电机矢量变频器整流输出直流电压U_d和整流输出直流电流

I_d的测量采用两变量输入的霍尔传感器，可以同时测量P_d＝U_d×I_d。

进一步地，本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，为使测量计算精确度得到提高，起升电机转差率S可使用采用根据其机械特性T＝f(s)关系修正后的转差率：

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为变频器实测频率对应于P_dl，f_n为变频器额定频率对应于P_dn。

本发明的有益效果是：

本发明以矢量变压变频(VT-VVVF)变频器为电源的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，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，又使系统可以工作在最高的安全速度之下，因此扩大了其调速范围、提高了工作效率。

本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，通过起重机在完成起动过程后，对起升电机运行频率，也就是起升电机矢量变频器输出频率f及其整流部分输出直流电功率P_d＝U_d×I_d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载荷，不再需要安装于外部的起升重物重力传感器和转速传感器，只需要起重机系统起重力臂L传感器，即可测算得到起重机系统起升负载转矩Tl，从而达到测量控制的目的。从而避免了在过去的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；明显节省了传感器硬件成本和安装调试成本以及安装方法和位置带来的测量困难和不准确问题。通过起升机构电机输出转矩Tfz计算出与之对应起升电机不超载最大运行频率f_max；再通过测量起重机系统起重力臂L，测量计算起重机系统起升负载转矩Tl，同时根据起重机载荷特性Load-diagrams-Taq，由起重机系统生产厂家以L-Taq二维表形采用查表插值算法，计算出起重机系统起重力臂L下的起重机安全负载转矩Taq，再以此Taq为极限判据，首先比较Tl与Taq，保证Tl<Taq；判断起升机构电机负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定最大允许机构负载转矩小于Tfz_max：Tfz≤Tfz_max；同时也对起升电机运行功率作一个判断，保证P_1max<P_1N，即起升电机最大运行功率小于其标称额定功率。其次得到起升电机最大运行频率f_lmax。此起升电机最大运行频率同时受限于不超载最大运行频率f_max和起重机安全负载转矩Taq，只要起升电机在此最大运行频率内运行，都满足安全要求。在实际操作中，起重机操作人员根据现场情况，需要低速运行时，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_lmax，这样就在满足起重系统安全运行的前提下提高了的效率。

本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，通过测量起升电机矢量变频器整流部分输出直流功率的方式得到控制参数，不再需要繁复交流功率测量，因直流功率测量简洁准确方便可靠，提高了测量的方便性和准确性，简化了控制系统和测量手段。同时采用测量矢量变频器输出频率和修正电机转差率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，简化系统的同时，也提高了测量精度。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；也大大节省了现有技术中传感器硬件成本和安装调试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，所需要测量的参数除力臂L外，其它都在变频器内部完成，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，便于集成。本发明的起升电机矢量变频器整流部分输出直流功率采用两变量输入霍尔元件测量，可以同时测量直流电压U_d和直流电流I_d，直接得到直流功率P_d＝U_d×I_d，使测量更稳定可靠、方便准确，针对性更强。

本发明以矢量变压变频变频器为电源的变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。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、技术实现复杂困难的弊端。

本发明的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，采用了较精确的定量计算，得出了系统主要安全工作参数，可以对起重机系统设备原理设计，设备选型提供深化帮助，并发现弥补一些缺陷和不足；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。

图3为实施例4的工作情况变化图表。

图4为实施例4的各参数变化趋势图。

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

本实施例的起重机参数如图1图2所示。

一种以矢量变压变频(VT-VVVF下同)变频器为电源的变力臂起重机控制方法，包括以下步骤：

S1，起升电机矢量变频器控制起升电机按起动频率fqd起动运行；

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(原则：在尽可能低频下保证不超载和起升平稳，本例为f＝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；

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

Kjs＝ε×δ＝0.8x148＝118.4；

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；

变频器整流输出直流功率在1秒内波动幅度小于5％时，再检测记录变频器整流输出直流功率为17.51kW，矢量变压变频变频器输出频率f＝15Hz,计算起升机构电机输出转矩Tfz：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝664.8x0.8075x118.4x17.51/15＝74195.94N·mTfz<Tfz_max＝m_max×g×R＝10000×9.8×1.5＝147000N·m即起升电机最大允许负载转矩；

S3，计算起升电机系统不超载最大运行频率f_max；

式中，P_1N为起升电机标称额定功率；

本实施例中，起升电机侧标称额定功率P_1N＝110kW，

S4，测量起重机系统起重力臂L，并实时计算起重机系统起升负载转矩Tl，Tl＝(L/R)×Tfz；根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用插值法计算在L起重机系统起重力臂下的起重机安全负载转矩Taq；

式中，R为起升减速机构卷扬盘半径；

本实施例中，起重机起升力臂L为45m，R为1.5m起重机系统统起升负载转矩Tl＝(L/R)×Tfz＝(45/1.5)x74195.94＝2225878.2N·m

根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用插值法计算在起重机系统起重力臂L为45米时,起重机安全负载转矩Taq为:

Taq＝((9.5-8.5)/(43-47)×(45-47)+8.5)×g×L

＝9000x9.8x45＝3969000N·m

在极限安全转矩下L＝61.5m时的吊重：采用插值法计算:

m＝((6.2-5.8)/(60-63))x(61.5-63)+5.8＝6t＝6000Kg；

本实施例的变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表见表一。

表一变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表：

起升力臂L	安全负载转矩Taq	起升力臂L	安全负载转矩Taq
				3.3-22.4	4390400	43	4003300
23	4372760	47	3915100
				27	4339440	50	3871000
30	4204200	53	3791620
				33	4107180	57	3686760
37	4024860	60	3645600
				40	3959200	63	3580920
40.2	3939600	67	3479980
				41.3	4047400	70	3430000

S5,判断验证起重机在系统起重力臂L下，起重机系统起升负载转矩Tl是否超过起重机安全负载转矩Taq；检验是否超载：超载时，U_o＝0起重机停车，报警示意，正向闭锁，反向开放，导向安全；

判据：1.实测起升机构电机负载转矩Tfz不应大于设备生产厂家给定最大允许机构负载转矩Tfz_max；由S2知：Tfz＝74195.94N·m<Tfz_max＝147000N·m其中Tfz_max为厂家给定最大允许负载转矩；由于Tfz<Tfz_max说明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.Tl＝(L/R)×Tfz<Taq；由S4知:Tl＝2225878.2N·m<Taq＝3969000N·m；由于Tl<Taq；明显，说明此时力臂L与安全极限距离较远；安全并具有一定裕度；

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

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f；......(2-2)；

安全；

验证结果：三个安全判据均符合，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。系统起升负载转矩当L＝45时，Tl<Taq；系统安全并具有一定裕度；系统同时工作在实测负载转矩Tfz和与其对应的最大频率为f_max时，其在额定功率范围内的极限值，P_1max≤P_1N，不超载，安全。

不超载情况下执行以下步骤：

S6:计算在起重机系统起重力臂L下的起升电机最大运行频率f_lmax；

Tl＝(L/R)×Tfz………(2-5)；

f_lmax＝Kbz×f_max……..…(2-7)；式中，

当L≥L₀时

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq……(2-8)；

L<L₀时，Kbz＝1；

L₀为变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表中最大起重质量对应的最大起重力臂。

本实施例中，起升电机标称额定功率P_1N＝110kW，

起重机系统起重力臂L＝45m时：

起重机系统起升负载转矩Tl＝2225878.2N·m，

起重机安全负载转矩L为45米时，Taq＝3969000N·m，本例中L₀＝22.4m；

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq

＝1－(45-22.4)/1.5x74195.94/3969000＝0.7183；

f_lmax＝0.7183x99.19＝71.253Hz；

S7，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；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，起升电机速度控制手柄当前档位kdw为第4档。

S8，计算相邻速度档位起升电机矢量变频器输出间隔频率Δf,

Δf＝f_lmax/k_max；

本实施例中，Δf＝f_lmax/k_max＝71.253/8＝8.9Hz；

S9，计算当前档位kdw对应的起升电机矢量变频器输出频率fk，

fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf……………………….…(2-15)；

本实施例中，手柄当前档位为第4档，对应的起升电机矢量变频器输出频率fk为：fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf＝4x8.9＝35.62Hz。

S10，起升电机矢量变频器按间隔时间Δt_d秒，间隔频率Δf增加或减少输出频率，使输出频率变换到fk，保持fk运行，运行时间Ty后返回S4步循环或处理中断。S10步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，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq；

频率增减速率＝频率变化量与时间的比值＝Δf/Δt_d；

式中，Kt为频率变化时间系数，Δt₀为频率变化基础时间。

本实施例中，频率变化基础时间Δt₀为1秒，频率变化时间系数Kt为1秒，运行时间Ty为1秒；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq

＝1+1x(45/1.5)x74195.94/3969000＝1.561秒；

频率增减速率＝Δf/Δt_d＝8.9/1.561＝5.7Hz/S；

矢量变压变频变频器频率输出按5.7Hz/S的速率变换频率到fk＝35.62Hz后，保持35.62Hz运行，运行时间1秒后返回S4步循环或处理中断。S10步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:

本实施例的起重机参数如图1图2所示。

本实施例的以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，包括以下步骤：本实施例的系统运行条件参数同实施例1:

S1，起升电机矢量变频器控制起升电机按起动频率fqd运行起动；

S2: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34.57kW，矢量变压变频变频器输出频率f＝15Hz,

则Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f

＝664.8×0.8075×118.4×34.57/15＝146485.07N·m；

由上表知:Tfz＝146485.07N·m<Tfz_max＝m_max×g×R＝10000×9.8×1.5＝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，起升电机标称额定功率P_1N＝110KW，

式中，R为起升减速机构卷扬盘半径。

本实施例的变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表见表一。

本实施例中，起重机起升力臂L为38米，起重机系统统起升负载转矩Tl＝(L/R)×Tfz＝(38/1.5)x146485.07＝3710955.11N·m，根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用插值法计算在起重机系统起重力臂L为38米时，起重机安全负载转矩：

Taq＝((11.1-10.1)/(37-40)×(40-38)+10.1)×g×L

＝10766.67x9.8x38＝4009506.667N·m

S5,判断验证起重机在系统起重力臂L下，起重机系统起升负载转矩Tl是否超过起重机安全负载转矩Taq，或起升电机是否超载：

如果超载时，U₀＝0起重机停车，正向闭锁，反向开放，导向安全；则起重机停止正向运行并导向安全。

本实施例中，起重机起升力臂L为38米时，起重机系统起升负载转矩Tl小于起重机安全负载转矩Taq，起重机不会有倾翻危险，可以继续起重。

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.Tl＝(L/R)×Tfz<Tfz_max；由S5知:

L为38米时，Tl＝3710955.11N·m<Taq＝4009506.667N·m

但TI比较接近Taq，说明此时力臂L比较接近系统允许极限了，在L增大的方向上操作需小心谨慎；安全但比较接近极限；

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

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f......(2-2)；

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；同时系统起升负载转矩小于安全负载转矩；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；综合以上三个判据可以确定起重机系统不超载，处于安全操作环境之下但两项判据已非常或比较接近其极限值，给出安全预警提示，小心谨慎安全操作。

不超载情况下执行以下步骤：

Tl＝(L/R)×Tfz………(2-5)；

f_lmax＝Kbz×f_max……..…(2-7)；式中，

当L≥L₀时

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq……(2-8)；

L<L₀时，Kbz＝1；

L₀为变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表中最大起重质量对应的最大起重力臂；

本实施例中：起升电机标称额定功率P_1N＝110kW,起重机系统起重力臂L＝38m,起重机系统起升负载转矩Tl＝3710955.11N·m，起重机安全负载转矩Taq＝4009506.667N·m，本例中L₀＝22.4m；

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq

＝1－(38-22.4)/1.5x146485.07/4009506.667＝0.62

f_lmax＝0.62x50.24＝31.151Hz；

S7，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；

k_max为起重机起升速度总档位数；

本实施例中，总档位数为16档，起升电机速度控制手柄当前档位kdw为第12档。

S8，计算相邻速度档位起升电机矢量变频器输出间隔频率Δf,

Δf＝f_lmax/k_max；

本实施例中，Δf＝f_lmax/k_max＝31.151/16＝1.947Hz；

S9，计算当前档位kdw对应的起升电机矢量变频器输出频率fk，

fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf……………………….…(2-15)；

本实施例中，手柄当前档位为第12档，对应的起升电机矢量变频器输出频率fk为：fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf＝12x1.947＝23.36Hz。

S10，起升电机矢量变频器按间隔时间Δt_d秒，间隔频率Δf增加或减

少输出频率，使输出频率变换到fk，保持fk运行，运行时间Ty后返回S4步循环或处理中断。S10步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，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq；

频率增减速率＝频率变化量与时间的比值＝Δf/Δt_d；式中，Kt为频率变化时间系数，Δt₀为频率变化基础时间。

本实施例中，频率变化基础时间Δt₀为1秒，频率变化时间系数Kt为2，运行时间Ty为2秒；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq

＝1+2x(38/1.5)x146485.07/4009506.667＝2.851S

频率增减速率＝Δf/Δt_d＝1.947/2.851＝0.683Hz/S；

矢量变压变频变频器频率输出按0.683Hz/S的速率变换频率到fk＝23.36Hz后，保持23.36Hz运行，运行时间2秒后返回S4步循环或处理中断。S10步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，起重机系统进入对应的中断服务程序处理并导向安全。

实施例3：

本实施例的系统运行条件参数同实施例1:起重机参数如图1图2所示。

本实施例与实施例2区别为，起升电机转差率为采用修正后的转差率，

未经修前以额定转差率S_n计算：

S_n＝(n₀-n_N)/n₀＝(750-722)/750＝0.0373

修正转差率：由公式(3-5)：

∴S＝0.0373x0.95x(34.57/110)x(50/15)＝0.0373x0.9952＝0.03712；

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＝750-750x0.03712＝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。

由于修正后的S与S_n相差极小，说明此时起升机构的电机转矩Tfz已非常接近Tfz_max了；这也是转差率修正带来的一个效果；

S1，起升电机矢量变频器控制起升电机按启动频率fqd运行起动；

S2，起升电机起动稳定后，测量起升电机矢量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，测量记录起升电机矢量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……(2-2)；

参照实施例2参数知：

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

Kjs＝ε×δ＝0.8x148＝118.4；

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34.57kW，矢量变压变频变频器输出频率f＝15Hz,

计算起升机构电机输出转矩Tfz：

Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f＝664.67x0.8075x118.4x34.57/15＝146456.426N·m；

Tfz与实施例2比较，有所降低，这是由于转差率降低造成的，安全裕度有所提高。

S3，计算起升电机系统不超载最大运行频率f_max；

S4，测量起重机系统起重力臂L，并实时计算起重机系统起升负载转矩Tl，

Tl＝(L/R)×Tfz(38/1.5)×146456.426＝3710229.46N·m；

Taq＝((11.1-10.1)/(37-40)×(40-38)+10.1)×g×L＝10766.67×9.8×38＝4009506.667N·m；

如果超载时，U₀＝0起重机停车，正向闭锁，反向开放，导向安全；则起重机停车。

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Tfz_max；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很接近Tfz_max，可断定此时吊重已很接近系统允许的最大吊重量了。操作要小心谨慎；安全但已很接近其极限值；

2.Tl＝(L/R)×Tfz<Taq；由S4知：

Tl＝3710229.46N·m<Taq＝4009506.667N·m；但Tl比较接近Taq，说明此时力臂L较接近系统允许极限了，在L增大的方向上操作需小心谨慎；安全但比较接近其极限值；Tl与实施例2比较，有所降低，这是由于转差率降低造成的，安全裕度有所提高。

3.判断起升电机同时工作在Tfz和与其对应的最大频率f_max情况下的极限功率P_1max是否超其额定功率P_1N；

根据：Tfz＝Kdj×Kdx×Kjs×P_d/f......(2-2)；

系统安全；

判断验证结果：三个判据条件中，三项均处于安全状态；与实施例2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；

不超载情况下执行以下步骤：

f_lmax＝Kbz×f_max…………..…(2-7)；式中，

当L≥L₀时

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq……(2-8)；

L<L₀时，Kbz＝1；

本实施例中L₀＝22.4m；

∴Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq＝1－(38-22.4)/1.5x146456.426/4009506.667＝0.62；

∴f_lmax＝0.62x50.24＝31.149Hz；

S7，检测起升电机速度控制手柄当前档位kdw；

S8，计算相邻速度档位起升电机矢量变频器输出间隔频率Δf,

本实施例中，Δf＝f_lmax/k_max＝31.149/16＝1.947Hz；

S9，计算当前档位kdw对应的起升电机矢量变频器输出频率fk，

fk＝f_lmax×kdw/k_max＝kdw×Δf＝12x1.947＝23.36Hz；………….…(2-15)；

S10，起升电机矢量变频器按间隔时间Δt_d秒，间隔频率Δf增加或减少输出频率，使输出频率变换到fk，保持fk运行，运行时间Ty后返回S4步循环或处理中断。

参照实施例2，Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq

＝1+2x(38/1.5)x146456.426/4009506.667＝2.851S；

频率增减速率＝Δf/Δt_d＝1.947/2.851＝0.683Hz/S；

实施例4：

本实施例的起重机参数如图1图2所示。

本实施例中，δzj＝147.93,m＝6t,Tfz＝88219.216N·m,f_max＝83.34Hz；力臂L在运动状态下的工作情况如图3所示。变化过程中的各参数变化趋势如图4所示。

由图3和图4可以看出：

在变力臂起重机系统中，一个突出的特征就是系统里的许多关键参数都随力臂L变化而变化，或者说它们都是L的函数，L是自变量：

最大允许吊重即起重量m_max和安全负载转矩Taq是随力臂L增大而减小，其对应关系由整机设备生产厂家由载荷特性Load-diagrams给出并唯一确定，其中Load-diagrams为离散数值m_max(L)-L二维表；L增大时，m_max减小，从而Taq减小。

起重机系统起升负载转矩Tl＝m×g×L，其中m为实际吊重量质量，是一个固定值；随L增加而增加；L增大时m_max减小；

作为核心安全判据之一的Tl与Taq比较，二者随力臂L变化的规律呈“剪刀差”规律变化：L增大时，Tl也增大，同时Taq减小，反之亦反；两条曲线的交点即为安全极限工作点,在图4中L＝61.5m处，图左边为安全工作区，右边为超载区；

在功率限制基础上，引进了与力臂L相关的起升负载频率上限f_lmax＝Kbz×f_max,使VT-VVVF变频器的输出频率随L的增加而降低；L增加时，Taq减小，f_lmax也减小，；导向安全，进一步增强了系统安全性；

随着力臂L变化，根据系统工作的安全性要求，自动控制Kbz，f_lmax变化，起升电机功率也随之变化；或者说这一系列的最终源头都是由于人为控制起升电机-变频电源功率而产生和引发的；L增大时，m_max会减小，同时Taq减小，Kbz也减小，导致f_lmax也减小，使P₁减小，最终使P_d减小。相反，L减小时，m_max会增大，同时Taq增大，Kbz也增大，导致f_lmax也增大，使P₁增大，最终使P_d增大。

本例全面准确地分析了本发明动力臂起重机系统工作的全过程，展示了其各参数变化的趋势和方向，总结了本发明实际应用于起重机系统的工作原理和发明的依据。

Claims

1.一种以矢量变压变频变频器为电源的变力臂起重机控制方法，其特征是以下步骤：

S2，起升电机起动稳定后，测量起升电机矢量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为矢量变频器整流输出直流电压；I_d为矢量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，计算起升电机系统不超载最大运行频率f_max；

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

S4，测量起重机系统起重力臂L，并实时计算起重机系统起升负载转矩Tl，Tl＝(L/R)×Tfz；根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用插值法计算在起重机系统起重力臂L下的起重机安全负载转矩Taq；

式中，R为起升减速机构卷扬盘半径；

S5,判断在起重机系统起重力臂L下，起重机系统是否超载，

Tfz＞Tfz_max或Tl＞Taq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为起重机起升机构电机最大允许负载转矩，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；

Tl＝(L/R)×Tfz，Taq是根据变力臂起重机载荷特性Load-diagrams表，采用插值法计算在起重机系统起重力臂下L的起重机安全负载转矩；

P_1max为在起升机构电机输出转矩Tfz和起升电机最大运行频率f_max下的起升电机所需功；

Tl＝(L/R)×Tfz

f_1max＝Kbz×f_max；

式中，

当L≥L₀时

Kbz＝(Taq-(Tl-Tl₀))/Taq＝(Taq-((L-L₀)/R)×Tfz)/Taq

＝1-(L-L₀)/R×Tfz/Taq；

L<L₀时，Kbz＝1；

S7，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；

k_max为起重机起升速度总档位数；

S8，计算相邻速度档位起升电机矢量变频器输出间隔频率Δf,

Δf＝f_lmax/k_max；

S9，计算当前档位kdw对应的起升电机矢量变频器输出频率fk，

fk＝f_1max×kdw/k_max＝kdw×Δf；

S10，起升电机矢量变频器按间隔时间Δt_d秒，间隔频率Δf增加或减少输出频率，使输出频率变换到fk，保持fk运行，运行时间Ty后返回S4步循环或处理中断；

Δt_d＝Δt₀+Kt×(Tl/Taq)＝Δt₀+Kt×(L/R)×Tfz/Taq

式中，Kt为频率变化时间系数，Δt₀为频率变化基础时间。

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变力臂起重机控制方法，其特征是，S10步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变力臂起重机控制方法，其特征是，S10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变力臂起重机控制方法，S1步中起升电机起动频率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变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变力臂起重机控制方法，其特征是，起升电机矢量变频器整流输出直流电压U_d和整流输出直流电流I_d的测量采用霍尔传感器。

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变力臂起重机控制方法，其特征是，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变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变力臂起重机控制方法，其特征是S2步替换为，

S2，起升电机起动稳定后，测量起升电机矢量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为矢量变频器整流输出直流电压；I_d为矢量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。