變頻器在吊運熔融金屬起重機上的安全作用分析

李昌杰 劉愛國 席慧敏

（河南省特種設備安全檢測研究院，河南 鄭州 450004）

起重機械是一種危險性較大的特種設備，吊運熔融金屬的起重機運行環境惡劣，其起升機構事故發生概率高，如墜落、脫鉤、傾翻、折斷等，主要與起升機構及其控制系統直接相關。起重機安全預警機制的引入，可降低起重機械的使用風險，而可靠的起升機構及其控制系統能夠減少事故。

1 傳統起升機構控制

吊運熔融金屬的橋式起重機，最頻繁的機構是起升機構，重載低速，輕載高速，制動和正反轉頻繁，加上高溫、粉塵等環境，導致接觸器線圈銜鐵不釋放，接觸器觸點發生粘連，停滯現象［1-2］。

當遇到制動接觸器的輔助觸點-ZC（11，12）因各種原因發生斷路時，下降4～6 檔任一檔都會經過第1，2，3 檔。此時上升方向接觸器ZC 得電，-ZC（17，18）閉合，在下降第2，3檔時，使制動器接觸器ZDC得電，制動器開閘。下降到4～6 檔時，重物懸空，電機下降方向接觸器斷開，電機失電，制動器自鎖開閘，此時重物發生墜落。

重物停止在一定高度再次啟動時，上升方向1～6檔，下降方向2～3 檔，上升方向控制電源或動力電源出現故障而失電，制動器卻不能抱閘，重物便自由落體運動；下降方向4～6 檔，下降方向控制電源或動力電源出現故障而失電，制動器卻不能抱閘，重物便自由落體運動。

變頻調速技術發展到今天已完全克服了上述不足，不僅能保證安全，同時對電動機要求不高，采用普通鼠籠型異步電動機即可，電機制造工藝簡單，使用維護方便。

2 變頻器控制

變頻器將原來直接通入定子繞組的工頻交流電先行通入變頻器中，其中整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。將變頻器輸出的交流電再通入定子繞組中，通過變頻器改變輸出頻率，使電機轉速下降的同時還能保證其輸出適當的轉矩，實現無級調速。

2.1 變頻器調速的基本原理

式中，n-異步電機的轉速（r/min）；f-異步電機的頻率（Hz）；S-異步電機轉差率；P-電動機極對數。

異步電機轉子的轉速n與旋轉磁場的轉速n0（又稱同步轉速）不同，兩者之差稱為轉差［3］。

固有機械特性是指電動機在額定電壓和額定頻率下，按規定接線，定、轉子電路不外接阻抗時的機械特性，人為機械特性是指人為改變電源參數或電動機參數而得到的機械特性。交流變頻調速電機的機械特性由負載的大小決定。常用的變頻器通過降低或增加電源頻率的方法，使得電機的人為機械特性不斷切換。

定子產生的磁場轉速（同步轉速）為1 440r/m，工作點“Q1”的轉速為n1=1 500r/m，頻率50Hz 在第一象限，通過降低頻率而減速，在頻率下降的瞬間，人為機械特性已經切換到曲線②，工作點由Q1跳變到Q’，進入第二象限，電機處于再生制動狀態（發電狀態）。其電動機轉矩變為反方向制動轉矩，使電機轉子速度迅速下降，又重新進入第一象限，到達Q2點，轉速為1 350r/m，頻率為45Hz，接著處于穩定運行狀態。此時，Q2點便是頻率降低后新的工作點，其中TL為電機處于②機械特性曲線，轉速為n2時對應的電磁轉矩。

2.2 三相異步電動機變頻調速原理

三相異步電動機變頻調速方式一般分為恒磁通和恒功率變頻調速。異步電動機定子供電電壓一定時，每極磁通Φ隨頻率f1的變化而變化，若頻率f1從額定頻率50Hz往下降低，磁通將會增加，造成電動機中磁路過度飽和，定子電流中勵磁電流部分大大增加。這將使電動機的鐵心損耗增加，因此通常使磁通恒定，即Φ為常數。

以上是恒磁通變頻調速原則，此條件下變頻調速，電機的主磁通和過載能力不變。在基頻以下調速時，保持恒轉矩調速。交流異步電動機恒轉矩變頻調速主要通過降低供電電源的頻率f1來降低鼠籠異步電動機的同步轉速n0，從而使電動機獲得平滑的速度變化。

2.3 起升機構防溜鉤

2.3.1 重物升降速度逐漸為0。為防止溜鉤，需要電氣制動配合制動器。起升機構停車的控制中，變頻器與制動器時序配合，在升降過程中，需要停車時，變頻器發出停車信號，當輸出頻率下降到fbs時，發出制動器抱閘命令。此命令維持時間tbb應略大于制動器從釋放狀態到完全抱閘的時間，同時過程中變頻器輸出頻率保持不變，保持足夠的轉矩。抱閘時間結束后，制動器閉合，變頻器輸出頻率直接下降到0。

2.3.2 重物半空中由0 速升降。當變頻器工作后，頻率上升至fRD，暫停上升。在制動器電磁鐵通電前，變頻器需要檢測當前是否有足夠大的輸出電流可以控制重物的升降，不會出現溜鉤。設定檢驗電流的時間為tRC，繼續保持頻率為fRD，之后制動器開始松閘，頻率仍要保持在fRD一段時間tRD，tRD大小應略大于制動器從完全抱死到完全松開所需要的時間。制動器完全松開后，變頻器將工作頻率上升至所需要的頻率fX。無反饋矢量控制的變頻器，可以使電機在0.5Hz下達到150%的額定轉矩。

當變頻器有反饋矢量控制時，變頻器具有“啟動前的直流強勵磁功能”。變頻器可以在啟動之前，自動進行直流強勵磁，使電動機有足夠大的轉矩，有速度傳感器的矢量控制，可以在電機轉速0 r/min 時達到200%的額定轉矩。這樣就可以維持重物在空中的靜止狀態，保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。時序圖如圖1所示。直流制動勵磁功能，即變頻器在啟動之前自動進行直流強勵磁制動，使電動機有足夠大的啟動轉矩，維持重物在空中的停止狀態，以保證電磁制動器在釋放過程中不會發生溜鉤。

圖1 起升機構啟動的控制過程

3 結論

使用變頻器的起升機構能夠實現重物無論是從升降到停止，還是從停止到升降過程中不溜鉤。實現了起重機的起升機構在一定速度范圍內的無級調速功能，運行平穩。同時節能降耗且維護檢修工作更加簡單快捷。

［1］楊金龍.冶金橋式起重機電氣控制回路的改造［J］.起重運輸機械，2012（2）：83-85.

［2］陳曦.冶金起重機起升機構電動機失電保護初探［J］.機電技術，2010（3）：110.

［3］趙國.起重機械電氣安全技術檢驗［M］.大連：大連理工大學出版社，2008.