起重機電氣調速系統的分析

虞志遠　楊燦興

摘 要：文章首先對起重機電氣調速方式進行分析，包括繞線型異步電動機的調速、變頻調速以及調壓調速的方式，對變頻調速對起重機具有的影響進行研究，對變頻調速的優缺點進行探討。

關鍵詞：起重機；電氣調速系統；變頻調速

1 起重機電氣調速方式闡述

1.1 繞線型異步電動機的調速

繞線型異步電動機的調速包括轉子串聯電阻調速與串級調速，其中繞線式異步電動機轉子與附加電阻相互串聯，導致電動機的轉差率提高，電動機能夠在比較低的轉速下進行運轉。該方法的具體性能包括：調速的方向為下調；調速的平滑性受到R2調節方式的影響；調速的穩定可靠性差，則R2就越大，靜差率δ就越大；調速的經濟性能不好，在前期投資盡管比較小，然而損耗會不斷增加，且運行效率不高；調速的范圍有限，會受到低速狀態下靜差率的約束。

除此之外，串級調速時轉子電流進行分析，如果Ead和E2s頻率一致，且相位相同時則E2s和Ead疊加，增加Ead時I2s和T變大，而且T大于TL，轉速n也有所變大，轉差率s變小，造成I2s和T變小，直至T與TL保持一致，電動機處于一個比較高的轉速下穩定可靠的運行。分析發現，串入的Ead越大，則轉速n也就越高。有關附加電動勢Ead引入，利用晶閘管電路來完成。具體分析，串級調速具體性能包括：調速的方向可以實現上調和下調；調速的平滑性比較好，能夠實現無級調速；調速的穩定可靠性比較好，機械特征的硬度不變，靜差率比較低；調速的經濟性分析，前期的經濟投資比較大，然而運行費用較低，因此，效率高；調速范圍比較廣。

1.2 變頻調速

變頻調速技術的基本原理是根據電機轉速與工作電源輸入頻率成正比的關系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉速、輸入頻率、電機轉差率、電機磁極對數），通過改變電動機工作電源頻率達到改變電機轉速的目的。變頻器是通過電力半導體器件的通斷作用，對工頻電源進行變換，從而轉換成另外一個頻率的電能控制設備。現階段，廣泛使用的變頻器類型是交-直-交方式，也就是先把工頻交流電源利用整流器進行轉換，之后把直流電源進行轉換，得到頻率、電壓均可以實現控制的交流電源，最后將其提供給電動機。變頻調速最顯著的優點包括具備啟動功能、選擇電磁設計、適應各種工況、節能降耗，然而卻因為變頻調速的經濟成本比較高，對其使用范圍有了一定限制。

當電機減速或者起升機構下放重物時，電動機將機械慣性能量或位能轉變成電能反送到變頻器中，使變頻器中間直流回路電壓升高， 為了防止過電壓跳閘，制動電阻把這種能量轉換成熱量消耗掉。根據制動單元功率大小的不同，制動電阻可內置或外置于制動單元。制動單元通過中間回路端子連接到變頻器上，當中間回路電壓達到預定極限時，制動單元自動接通，通過電阻釋放電能，阻止中間回路電壓繼續升高。變頻調速系統要采取措施，抑制干擾，可通過屏蔽措施或變頻器輸出側加裝濾波器來加以抑制。在起重機上常用的變頻器廠商有西門子、ABB、日本安川等。

1.3 調壓調速

調壓調速的方式是以變化電動機定子電壓的方式完成調速，針對單相電動機而言，可以處于0～220V之間；針對三相電動機，則可以處于0～380V之間。調壓用變壓器，假如變壓器是有級調壓，則電動機也是有級調速，反之亦然。調壓調速最大的優勢在于能夠把調速過程中出現的轉差能量進行回饋利用，因此，效率較高。而且裝置容量和調速范圍成正比，一般用于70%～95%之間的調速，然而卻因為功率因素比較低，存在諧波干擾的情況，正常運行過程中無制動轉矩，適用于單象限運行時的負載。

2 變頻調速對起重機具有的影響分析

2.1 變頻調速的優勢

（1）調速方面，變頻調速的調速比較平穩，起重機就位比較準確。變頻范圍在理論上能夠達到0～400Hz，而且加減速曲線能夠進行選擇，加減速時間能夠進行調動；（2）操作方面，使得起重機操作起來比較簡單，變頻控制就是在獲取指令之后利用計算機對各個機構動作完成操作和控制，自動實現各種不同的邏輯動作，從而降低勞動強度；（3）起重機起動方面，由于是軟起動和制動，所以機械沖擊小，從而使其壽命延長。解決過去存在的機械影響過度的頻率控制問題，可以實現變速。是非常小的加速度，速度平穩過渡，所以受到的影響相對較小，從而使整個機體結構的勞損改善。機構之間的磨損也大大降低，特別是變頻調速可以實現零速制動，相當于支持制動駐車制動解除制動，機械壽命理論上可以達到無窮大，極大地提高了起重機作業安全性；（4）起重機故障率方面，調查發現故障率非常低，而且維修量極小，PLC和變頻器的組合，成功地達到了非接觸式控制和中間部分的一個過渡，有效避免了傳統控制中容易出現的問題，如接觸器燒壞和粘結；（5）除此之外，變頻調速的安全保護設備精度比較高，大大降低電機啟動時對電網產生的沖擊，具有非常顯著的節能效果，在一定程度上消除了共振，對于動剛度而言有所改善，具有比較快的動態響應速度，避免產生溜鉤并真正完成了“零速交叉”的功能，具有相對完善的保護功能，比如過壓、過流、輸入輸出缺相、過熱等保護功能，以及比較豐富的開關量、模擬量輸入輸出等功能，從而方便用戶使用，能夠提供諸多制動方式類型，實現系統監控功能等。

2.2 變頻調速的不足之處

起重機變頻調速具有顯著的優點，當然也存在一些缺點，其缺點集中在變頻調速控制系統的電磁兼容性，也就是變頻調速系統容易對其它電氣裝置產生一定的干擾，同時也很容易受到外界因素的干擾。一般而言，變頻器的主電路是交-直-交的類型，整流電路和逆變電路中廣泛應用半導體開關器件，輸入輸出的電壓與電流中一方面是基波成分，另一方面還包括高次諧波，會對供電系統、負載及其它電氣設備產生干擾，甚至會導致電氣設備無法正常地工作，有時還會產生誤動作，導致起重機整機的性能及穩定可靠性下降，對設備與人身安全造成嚴重的威脅。變頻調速對于機上其它電氣設備產生的影響是變頻器在運轉時出現的高次諧波引發干擾，包括傳導、電磁輻射以及感應耦合三種類型。

3 結束語

總而言之，隨著起重機技術的不斷發展，變頻調速技術的應用也越來越廣泛，但是也要認識到變頻調速在應用過程中也產生了許多問題，文章對起重機電氣調速系統進行研究和探討，以期對起重機電氣調速系統的應用起到一定的促進作用。

參考文獻

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