1.前言
施工升降機又叫建筑用施工電梯，是建筑施工中很安全、高效的垂直運輸設(shè)備，在建筑施工中被經(jīng)常作為載人載貨施工機械使用。
施工升降機載重為1～3噸，運行速度為1～60m/min，在工地上通常配合塔吊使用。這種電梯安裝和拆卸非常方便，可隨建筑物的升高而增高，具有性能穩(wěn)定、安全可靠、搬運靈活、適應(yīng)性強等特點，可以顯著提高工效、降低施工人員的勞動強度。
施工升降機的種類很多，按運行方式分無配重和有配重兩種；按其控制方式分為手動控制式和自動控制式。按需要還可以添加變頻裝置和PLC控制模塊，另外還可以添加樓層呼叫裝置和平層裝置。
圖1 施工升降機現(xiàn)場
2.施工升降機的組成
施工升降機由鋼結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及安全控制系統(tǒng)等組成。
2.1鋼結(jié)構(gòu)
鋼結(jié)構(gòu)主要由吊籠、外籠、標準節(jié)、配重、附墻架等組成。
2.1.1 吊籠（圖2）是升降機的核心部件，為焊接鋼結(jié)構(gòu)體，周圍有鋼絲防護網(wǎng)，前后分別安裝單、雙開吊籠門，頂上安裝護身拉桿。吊籠的立柱上有傳動機構(gòu)和限速器底板安裝孔，導(dǎo)向滑輪組也安裝在立柱上。
根據(jù)吊籠的數(shù)量，升降機一般有單籠和雙籠之分。單籠升降機如增加一個吊籠和其它零件后即可成為雙籠升降機。（圖3、圖4）
圖2 吊籠
圖3 單籠升降機
圖4 雙籠升降機
2.1.2 外籠主要由底盤、防護圍桿及一節(jié)基礎(chǔ)標準節(jié)等組成。外籠入口處有外籠門并裝有自動開門機構(gòu)，當?shù)趸\上升時，外籠自動關(guān)閉。吊籠著地時，外籠門能自動打開。底盤裝有緩沖彈簧，以保證吊籠著地時能柔性接觸。
2.1.3 標準節(jié)是由角鋼組焊而成，長正方形空間桁架結(jié)構(gòu)，每兩個塔身標準節(jié)的上下連接，均采用10.9級的高強螺栓、螺母緊固連接起來。每個標準節(jié)內(nèi)部都設(shè)有與標準節(jié)等長的爬梯，以便操作與維修人員上下塔機時使用，且每10米有一休息平臺。各標準節(jié)均具有互換性，改變塔身標準節(jié)安裝節(jié)數(shù)，起重機可達到不同的起升高度。
2.1.4 配重用以平衡吊籠的自重，從而提高電動機功率利用率和吊籠載重，并可改善結(jié)構(gòu)受力情況。配重由鋼絲繩通過導(dǎo)軌架頂部的天輪與吊籠上下運轉(zhuǎn)的導(dǎo)軌。
2.1.5 附墻架用來使導(dǎo)軌架與建筑物附著連接，以保證導(dǎo)軌架的穩(wěn)定性。
2.2傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)由電動機、聯(lián)軸器、減速器和安裝在減速器輸出軸上的齒輪等組成，采用多電機驅(qū)動，使齒輪齒條受力均勻。傳動系統(tǒng)安裝在吊籠內(nèi)，通過齒輪與導(dǎo)軌架上的齒條相嚙合，使吊籠上、下運行。
2.3電氣系統(tǒng)
每個吊籠都有一套電氣設(shè)備，包括電源箱、電控箱、操縱盒等，可在吊籠內(nèi)用手柄或按鈕操縱吊籠升降運行，在任何位置均可隨時停車。在上、下終端站，可由上、下終點限位開關(guān)控制自動停車。為達到高速、平穩(wěn)、還有采用變頻調(diào)速和采用液壓泵和液壓馬達等先進技術(shù)式升降速度可從0～60m/min的無級變速，并可平穩(wěn)啟動和制動。
2.4安全控制系統(tǒng)
安全控制系統(tǒng)在電路中設(shè)置了過載、斷繩、短路、超速等安全開關(guān)，當運行中發(fā)生任何一種故障時，升降機立即自動停車。吊籠上各門均有限位開關(guān)，當任何一門未關(guān)閉或異常開啟時，吊籠均不能啟動或立即停止運行。每臺吊籠均配備錐鼓限速器作為防墜安全裝置，能有效地防止吊籠墜落。
3.施工升降機對電控系統(tǒng)的要求
安全是建筑施工的重中之重。對于施工升降機來說，最重要的標準就是安全，通常在施工升降機上采用防墜安全器。防墜安全器是施工升降機上重要的一個部件，要依靠它來消除吊籠墜落事故的發(fā)生，保證乘員的生命安全。工地上使用中的升降機都必須每三個月就要進行一次墜落試驗。目前墜落實驗是通過提高變頻器輸出頻率，使電機驅(qū)動吊籠運行在模擬墜落的速度下，看防墜安全器是否動作。
吊籠啟動和停止時平穩(wěn)，不能溜鉤，這就要求變頻器和電機以及剎車部分的配合要做到天衣無縫。
根據(jù)施工升降機載重量的不同，目前常用電機常用規(guī)格為7.5～22kW。電機數(shù)量常為一臺、兩臺或者三臺。（圖5、圖6、圖7）
圖5 一臺電機
圖6 兩臺電機
圖7 三臺電機
根據(jù)電機數(shù)量的不同，不同廠家對于變頻器的選擇也有區(qū)別。當設(shè)備上使用多臺電機時，變頻器的選擇有兩種常見配置：
第一種是根據(jù)電機的數(shù)量來配置相當數(shù)量的變頻器，變頻器的功率與電機功率相當。例如當電機為三臺，且每臺電機功率為11kW時，可以選擇三臺11kW或者15kW變頻器。此時廠家會要求三臺變頻器進行共直流母線的動作。
第二種配置是選擇一臺大功率變頻器。例如，當電機為三臺，且每臺電機功率為11kW時，可選擇一臺45kW的變頻器（變頻器的功率=3×11kW×1.2，1.2為過載系數(shù)）。
根據(jù)剎車方式的不同，常用電機一般有兩種：帶電磁制動器的電機（圖8）和錐形轉(zhuǎn)子電機（圖9）。帶電磁制動器的電機通過電機尾部的電磁制動器來提供制動力，當制動器通電時，制動器打開，電機正常運行；當制動器失電時，制動器閉合，對電機軸端提供制動力。
錐形轉(zhuǎn)子電機是一種定子內(nèi)腔和轉(zhuǎn)子外形都呈錐形的電動機。它具有停電自制動的能力：電動機運行時，錐形轉(zhuǎn)子電動機的氣隙磁場產(chǎn)生軸向磁拉力，壓縮制動彈簧，使風(fēng)扇制動輪與電機端蓋上的制動環(huán)脫開，電機能自由轉(zhuǎn)動。斷電時，軸向磁拉力消失，轉(zhuǎn)子在制動彈簧的推力下產(chǎn)生軸向移動，使風(fēng)扇制動輪壓緊制動環(huán)，產(chǎn)生摩擦力，迫使電機迅速停轉(zhuǎn)并綁住轉(zhuǎn)子，以防止起吊的重物下落，保障安全。
圖8 帶電磁制動器的電機
圖9 錐形轉(zhuǎn)子電機
4.臺達方案
施工升降機的運行情況類似于電梯，當所傳動的位能負載持續(xù)下降時，電機就會處于再生發(fā)電狀態(tài)，負載的機械能就轉(zhuǎn)化為電能回饋到變頻器中，導(dǎo)致變頻器內(nèi)部直流回路中的電壓持續(xù)升高。為了保證此時變頻器和電機仍然能夠正常運行，變頻器需要選配合適的制動電阻（無內(nèi)置制動單元的變頻器需要選擇外置制動單元），使內(nèi)部多余的電壓通過外部電阻放電，將回饋的直流回路的能量轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉，避免直流側(cè)電壓無限制的升高而觸發(fā)變頻器的保護電路動作。我們在這里選用臺達的C2000變頻器。
考慮到剎車性能以及天氣炎熱時電阻的散熱性能，剎車電阻規(guī)格的選擇原則有兩個方面的依據(jù)：等效電阻值保持在推薦最小電阻值，功率選擇為推薦功率的2倍以上。
臺達C2000變頻器的主要特點包括：
1) V/F控制、無感測向量控制、FOC＋PG、轉(zhuǎn)矩控制；
2) 同步電機和異步電機驅(qū)動一體化；
3) 全系列導(dǎo)入LCD面板，選配LED；
4) 內(nèi)建高速總線接口CANopen及MODBUS；
5) 內(nèi)建各種行業(yè)功能；
6) 長壽命設(shè)計于重要零件壽命偵測；
7) 獨立風(fēng)道的設(shè)計，PCB防護加強環(huán)境的適應(yīng)性；
8) 全球安規(guī)兼容性CE UL cUL；
9) 9.30kW以下內(nèi)置剎車單元；
10) 速度控制、位置控制、轉(zhuǎn)矩控制；
11) 具備三個擴展槽： I/O、通訊口、PG卡；
12) 多種總線控制方式；
13) 標配RS485，接口方式 RJ45、SG端子；
14) 共直流母線；
15) 電機熱保護；
16) 模塊化設(shè)計，可拆卸的風(fēng)扇、控制端子。
5.實測案例
5.1實測案例一
5.1.1 客戶甲配置：臺達VFD150C43A變頻器、15kW電機（帶電磁制動器）一臺、制動電阻40Ω 2000W。
5.1.2 帶電磁制動器的電機控制接線如圖10所示。
圖10帶電磁制動器的電機控制接線圖
5.1.3 調(diào)試步驟。
設(shè)置VF曲線（電機規(guī)格15kW、34A、50Hz、380V、1390r/m），詳見表1。
表1 VF曲線設(shè)置
設(shè)置關(guān)于機械制動相關(guān)的動作，詳見表2。
表2 機械制動相關(guān)動作設(shè)置
其它相關(guān)參數(shù)設(shè)置，詳見表3。
表3 其它相關(guān)參數(shù)設(shè)置
5.1.4 運行效果。
1） 100%負載（2.6噸）上行波形，啟動最大電流為42.48A，穩(wěn)定時（30Hz/50Hz）電流為34～36A。見圖11。
圖11 100%負載上行波形
2） 100%負載（2.6噸）下行波形，啟動最大電流為37.69A，穩(wěn)定時（30Hz/50Hz）電流為23～26A，母線電壓持續(xù)穩(wěn)定在705～707VDC。
圖12 100%負載下行波形
5.2 實測案例二
5.2.1 客戶乙配置：臺達VFD110C43A變頻器、7.5kW錐形轉(zhuǎn)子電機一臺、制動電阻45Ω 1500W。
5.2.2 錐形轉(zhuǎn)子電機控制接線如圖13所示。
圖13錐形轉(zhuǎn)子電機控制接線圖
5.2.3 調(diào)試步驟。
設(shè)置VF曲線（電機規(guī)格7.5kW、50Hz、380V、18A、1390r/m），主要考慮到變頻器到電機之間的距離達到100m。詳見表4。
表4 VF曲線設(shè)置
其它相關(guān)參數(shù)詳見表5。
表5 其它相關(guān)參數(shù)設(shè)置
5.2.4運行效果：
在不同速度（15hz/25hz/40hz）滿載情況下做上行和下行動作，運行電流和電壓平穩(wěn)。
圖14 運行效果比較
6.結(jié)束語
將臺達變頻器應(yīng)用于施工升降機，能夠使電機啟、制動平穩(wěn)，無沖擊；升降速度可靈活控制；啟動電流小，對電源要求低；機械磨損降低，由于啟動制動時無沖擊，大大降低了齒輪、齒條等機械磨損；能源節(jié)約效果顯著，相對傳統(tǒng)施工升降機效率提高30%，能耗降低30%。得到了廣大客戶的好評。
作者簡介：林星華，出生于1974年2月，畢業(yè)于廣東工業(yè)大學(xué)機電一體化專業(yè)，具有十多年的自動化領(lǐng)域技術(shù)和服務(wù)經(jīng)驗，目前就職于中達電通華南大區(qū)，負責(zé)臺達PLC、HMI、AMD、AIC、ASD等機電產(chǎn)品的技術(shù)支持。