塔式起重機電能耗測試分析

李 濤，魯衛濤，王振杰，張磊慶

（1.中國電力科學研究院 輸變電工程研究所，北京 100000；2.中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊，065000）

塔式起重機電能耗測試分析

李 濤1，魯衛濤2，王振杰1，張磊慶2

（1.中國電力科學研究院 輸變電工程研究所，北京 100000；2.中國建筑科學研究院 建筑機械化研究分院，河北 廊坊，065000）

通過完成規定的測試流程和測試工況，對兩臺不同力矩的塔機電能耗進行了測試，得到了塔機起升機構的能耗數據，通過對比變極調速和變頻調速兩種方式在帶載起升、空載起升及空載下降過程中的能耗，分析了各自優缺點，對塔機能耗測試有一定借鑒意義。

塔式起重機；電能耗；電機；調速；測試

塔式起重機（以下簡稱塔機）是完成將重物按照指定的方式進行位移的機械設備。塔機的機械做功過程，是完成將重物按照指定的方式進行位移的過程，是按照司機操作指令，由各執行機構共同配合控制完成規定動作的過程。塔機進行機械做功時必然要消耗一定的電能，因制造差異和使用過程中的不確定因素，要分析塔機完成規定動作產生的能耗，是一個較為復雜的能耗綜合分析過程。

1 電能耗測試影響因素

塔機所選用的動力單元絕大多數為電機拖動的單元，因電機制造的固有差異和塔機自身的起重特性、結構形式及所采取的調速控制方式各有不同。按照塔機的實際應用，其操作方式多采用多種方式結合控制的特點。因此，塔機完成規定工作，所產生的電能耗是一個復雜的電氣變化過程。

在塔機中應用的電動機，按照結構形式主要可以劃分為鼠籠電機、繞線電機、力矩電機、變頻電機和直流電機等類別。根據塔機所采用的調速控制應用的方式又可以大致分為變極調速、串電阻調速、自耦降壓調速、調壓調渦流調速、變頻調速和直流控制調速等方式。

電能耗（即耗電量）通常情況下是指電氣設備用電的視在功率，視在功率是電氣參數中的有功功率、無功功率和待機功率等參數值的總和。耗電量的物理計算公式為電壓、電流和時間的乘積，所以，其中任何一項或多項因數變化都會給最終的結果造成變化。在電機拖動應用的調速過程中，電機啟動、加速和減速過程都會造成電壓、電流的跳躍性變化（如電機啟動時的電流是額定電流的5～7倍），這種變化會對最終的耗電量產生較大影響。

2 電能耗測試與分析

塔機在采用以上多種電機和多種調速方式相結合的控制方式下，它們的電能耗會產生什么差異呢？我們根據被測塔機的特性，采取了嚴格的測試流程和特定的測試工況，對不同力矩的行走動臂式塔機進行了測試。測試工況是塔機固定停在軌道某處，起吊砝碼（重物）為固定重量，起升高度和變幅距離按照測試工況設為固定行程，電能測試儀表為可記錄反向電功的電能表。現將所測數據及能耗分析說明如下（因篇幅所限，僅以起升機構測試進行分析）。

2.1 STD31/12塔機的測試分析

測試塔機型號為STD31/12，最大起重量為8t，起重力矩為630kNm，結構形式為動臂式行走式，起升電機功率為14kW，采取的電控方式分別是起升、變幅和行走機構為變極調速、回轉機構為調壓調渦流調速；砝碼重量為1.1t，高程20m。按照規定的測試工況，測得起升能耗數據，如表1。

表1 STD31/12塔機起升能耗測試數據

根據表1中的數據，分析如下。

塔機的起升機構采取的是變極調速的方式，就是改變電機的極對數使電機的轉速改變。這樣的調試方式是通過接觸器的配合切換完成電機不同的定子繞組分時通電，使電機的極對數改變來實現調速。這樣，在電機改變速度時，會造成電壓、電流的跳躍性變化，同時也使得電機耗電功率產生跳躍性變化。

帶載起升、空鉤起升和空鉤下降的耗電量幾乎隨時間呈單調性變化，是因為重復操作較為平穩，變極調速電機在起升、下降過程中大部分時間是處于較為穩定的加速和電氣制動過程，依據變極調速的功率特性屬于正常的耗電變化。

帶載下降過程中，耗電量明顯低于其它的耗電量，是因電機被反拖后發電，電能回饋電網所致。變化規律應呈現反比的變化規律，但所得數據并非如此。第一次帶載下降的耗電量明顯高于后兩次，究其原因：①人為造成，因操作司機在操作過程中進行兩次換擋減速造成時間的增加，而換擋減速在變極調速中需要切換電機繞組，造成電壓、電流跳躍，使得耗電量值瞬時大幅增加；②因時間的增加，會更多地累計設備中待機耗電量，也造成最終的耗電量的增加。

2.2 S480LH24塔機的測試

測試塔機型號為S480LH24，最大起重量為24t，起重力矩為4800kNm，結構形式為動臂式行走式，起升電機功率為110kW（變頻電機），采取的電控方式分別是起升、變幅和行走機構為變頻調速（無回饋）、回轉機構為調壓調渦流調速；砝碼重量為4t，高程30m。按照規定的測試工況，測得起升能耗數據，如表2。

表2 S480LH24塔機起升能耗測試數據

根據表2中的數據，分析如下。

塔機的起升機構采取的是變頻調速的方式，變頻調速的特點主要有降低電機的啟動電流沖擊、實時控制調整電機的給定頻率（旋轉頻率）、速度閉環控制和實現低轉速滿扭矩輸出等。變頻調速控制中，幾乎可以實現電機在調速全過程不超過額度功率，只是在加速過程中會出現短暫的電壓、電流的小幅上升。

帶載上升過程中，第一次的用電量和后兩次比較，呈現與時間成反比的變化，即用時長而耗電量低了。出現這樣的情況，是因為起升時維持在低速運行的時間比較長所致，因為變頻控制只要可以滿足實際輸出轉矩和功率，變頻器就可以控制電機在低功率、規定轉速下運行（即低功率運行），這樣并不會造成的耗電量大幅增高，而遠小于變頻器驅動電機加速時（電壓、電流同時上升）所消耗的電功率。所以，才呈現了第一次測試中的反比情況。

帶載下降過程中的耗電量并未出現像STD31/12塔機測試的耗電量急劇減小的情況，是因為此變頻器沒有電能回饋電路，而是通過制動電阻將該部分電能轉換成熱能消耗。另外，數據顯示耗電量隨著時間單調變化，系帶載下降過程中，電機幾乎沒有驅動力，多數工作在能耗制動狀態，所以時間的增加造成耗電量的增加是因為待機損耗造成。

空鉤狀態的起升和下降無較大差異性變化，是因為電機處于空載狀態，幾乎不需要大的啟動電流就可以使得電機迅速達到給定的轉速。造成耗電量變化的主要是電機的啟動和加速過程產生的耗電量，以及待機耗電因時間的不同造成的微小差異。

3 結 語

就以上分析的塔機所應用的電控調速方式來看，變極調速具有電路直觀易于維護、調速過程沖擊大、調速范圍小、轉矩小和機械性能差等特點，雖有再生能源回饋，但這樣的回饋是被電網被迫接收的，更多的是干擾了電網，能源利用微乎其微。變頻調速具有電路簡潔、調速過程穩定且沖擊小、調速范圍大、轉矩大和可獲得良好的機械性能等特點，但增加了運維的專業技能和特定情況下的運維成本，以及再生能源沒有被利用的應用缺陷。塔機還應用了其它一些電控方式，這里不再一一闡述。

綜上所述，要測試分析塔機的能效，要綜合考慮塔機的結構特性、機械特性、電氣控制特性和人為操作等多方面因素，且必須建立在固定測試程序和固定測試工況的基礎上實施測量，進行綜合分析。

（編輯 張磊慶）

Analysis of tower crane electric power consumption

LI Tao， LU Wei-tao， WANG Zhen-jie， ZHANG Lei-qing

TH213.3；TH212

B

1001-1366（2015）08-0056-03

2015-06-15