起重機調速方案的分析與比較

摘 要：隨著技術的進步，起重機的性能也在不斷地提高與更新，其中以起重機調速為顯著特點。本文對幾種常用的起重機調速方案進行了比較，分析了不同調速方案的性能特點與適用范圍，并結合優缺點提出了各方案的采用建議。

關鍵詞：起重機；調速方案；性能特點；比較

1 引言

起重機在物料起重、運輸、裝卸等工作中使用較多，可以極大地減少體力勞動，提高工業生產的效率。起重機常在高溫的環境下工作，并且需要多次間斷使用，因此電動機啟動、制動頻率較高，同時常承受較大載重和沖擊。為提高起重機性能，在傳統的起重機調速方案基礎上，又提出了多種調速方式以供選擇。本文對繞線式異步電動機轉子串電阻調速和變頻調速進行了詳細的闡述，并與其他調速方案進行了比較分析，以結合各自優缺點提出采用建議。

2 繞線式異步電動機轉子串電阻調速

2.1 工作原理

繞線式異步電動機轉子串電阻調速是一種傳統的調速方式，其工作原理是通過集電環和電刷在轉子回路中串入若干段電阻，電阻數目由接觸器控制，由此控制轉速。

2.2 功率分析

2.3 性能特點與適用范圍

由功率分析可以看出，電磁功率中的功率損耗占比很大。轉子的外接電阻消耗能量使轉速下降，轉速越低，機械特性越軟。此方案結構簡單，投資及維修成本較低，主要適用于通用橋式起重機的主控電路。

3 變頻調速

隨著科技的進步，大規模集成電路、矢量變換等技術已較好地應用到變頻器上，也使得變頻調速的方案在起重機上有了較成熟的應用。

3.1 工作原理

交流變頻調速系統的工作原理是通過均勻改變供電頻率以改變電動機的轉速，實現鼠籠式異步電動機的速度調整。調速系統的組成如圖2所示。

如圖2所示，通過操作按鈕和主令控制器將電動機正反轉、調速等指令傳入PLC，信息通過PLC向變頻器發出起停、調速指令，變頻器調節頻率控制電機的轉速和方向，使電機的轉速連續變化。

3.2 功率分析

3.3 性能特點與適用范圍

由功率分析可以看出，變頻調速的功率損耗較小，同時調速范圍大，可實現無級調速，可減小起重機起制動的沖擊，使起重機速度變化連續，機械特性很硬。此方案精度較高，可自動或遠程控制，但成本較高，在起重機中的應用并不廣泛。

4 其他調速方案特點與適用范圍

4.1 自激動力制動調速

自激動力制動調速方案在下降時斷開三相交流電源，給兩相定子繞組通入激磁電流，并形成氣隙磁場，電動機轉子切割磁場產生感應電流和制動力矩。整流后再送入定子繞組增強氣隙磁場，增大制動力矩增大。當制動力矩與位能負載作用在電動機軸上的力矩相等時，轉子電流、自激電流保持不變，電動機進入穩定運行。當轉子電阻改變時，電動機轉速改變，起重機上升相當于轉子串電阻起動和調速。

4.2 液壓推桿調速

此方案電動機轉子接入液壓制動器的推桿電動機定子，當電動機轉速高時，轉子電壓、頻率降低，液壓制動器推力減小，制動力矩增大使電動機轉速下降；當電動機轉速低時，液壓制動器推力增大，制動力矩減小使電動機轉速上升。當負載力矩、制動力矩和電動機動力矩平衡時，電動機穩定運行。

4.3 渦流制動調速

渦流制動器在電動機低速下降斷電時通電，制動器開閘，負載下降，渦流制動器發出制動力矩。當負載力矩與渦流制動器的制動力矩平衡時，負載獲得穩定低速而下降。電動機中間速下降時處在反向電動狀態，系統得到電動機人為特性與渦流制動力矩的合成曲線。當負載力矩與合成力矩平衡時電動機中速下降，高速下降為回饋制動狀態。電動機上升時處在正向電動狀態，調速原理基本相同。

4.4 晶閘管定子調壓調速

晶閘管定子調壓調速將反并聯晶閘管串入電動機三相電源，通過改變晶閘管的導通角實現對電動機定子電壓進行控制，從而進行調速。此方案的調速比達到1：10，轉速變化率小于5%，上升和下降均進行調速。

5 各調整方案優缺點比較與采用建議

5.1 優缺點比較分析

通過對調整方案性能的分析，我們可以看出各個調整方案都有一定的特點，在一定的范圍內適用，下面就對各種調速方案的優缺點進行簡要的分析與對比。

繞線式異步電動機轉子串電阻調速設備、結構較為簡單，成本較低，電機輸出的最大轉矩不隨轉速改變，過載能力較強。但存在速度變化較大，中減速不穩定，低速不能長時間運行的缺點。

變頻調速的優點在于，低速運行較為穩定，制動速度十分平穩，在負載波動較大時速度無明顯變化，同時可控性強，使用和維護也較為方便，節能效率高。但精度與成本較高，在精度要求較低的起重機上存在成本劣勢。

自激動力制動調速方案，在下降時有中速和高速擋，節能效率高。但在上升時低速不穩定，輕載不能調速，操作不便。

液壓推桿調速可以通過電動機轉子接入高值電阻，使上升下降均獲得穩定的低速。但缺點是只能獲得一個低速，中間速特性軟，且必須對起重機機械部分進行改動才能使用。

渦流制動調速在上升下降時均可調速，調速比達到1：10，中間速、低速也均可得到。但存在速度變化較大，中間速不能長時間運行的缺點，同時線路較為復雜，使用也需要對起重機進行改動。

晶閘管定子的調速比也可達到1：10，轉速變化率在5%以內，上升下降均可調速，但其調試的過程較為復雜，與其他方案相比不存在優勢。

5.2 調整方案的采用建議

針對調速不同方案的特性與優缺點，在實際操作中應區分采用。繞線式異步電動機轉子串電阻調速操作簡單，成本較低，對調速性能要求較低的起重機較為適用。變頻調速的調速范圍大，控制精度較高，制動過程相對平穩，是較為節能的調速方案，但成本較高，較適合于無級調速、定位要求準確的系統。自激動力制動調速方案由于在上升時低速不穩定，輕載不能調速，在目前起重機性能要求不斷提高的情形下已使用較少。液壓推桿調速中間速特性軟，渦流制動調速中間速不能長時間運行，且這兩種調速方案都需要對起重機的機械部分做出改動，操作較為復雜，不是起重機理想的調速方案。晶閘管定子調壓調速的方案比較復雜，調試困難，因此在起重機調速中的使用也較少。相較而言，變頻調速各方面運行特性較好，是目前起重機調速應采用的主流方案。

參考文獻

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