淺析橋式變頻起重機系統(tǒng)對電動機的要求

柴春花CHAI Chun-hua；王建民WANG Jian-min

（河北聯(lián)合大學(xué)，唐山 063009）

（Hebei United University，Tangshan 063009，China）

0 引言

作為搬運機械，橋式起重機是一種通用機械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，為我國勞動力解放和整個國民經(jīng)濟提高做出了突出貢獻。多年的使用人們不斷積累經(jīng)驗，從橋式起重機的“人生各個階段”（設(shè)計—制造—使用—維修—管理）入手，經(jīng)過不斷改造，使得橋式起重機的技術(shù)達到了一種新的境界?，F(xiàn)在頻繁的超負荷作業(yè)和工作中振動沖擊而引起的機械疲勞還是會造成橋式起重機的結(jié)構(gòu)開裂。所以，不僅要在機械設(shè)計、材料選擇及加工工藝上做研究，還要從起重機的控制方式上下功夫。傳統(tǒng)方法多采用轉(zhuǎn)子回路串接電阻調(diào)速，屬于檔位調(diào)速，操作加速時逐級更換，換擋時由于機械沖擊大，對起重機造成的振動比較明顯，所以為減少換擋沖擊，將有級調(diào)速改為無級調(diào)速，也就是利用電氣控制的方法來調(diào)速，實踐證明這正是解決以上振動沖擊的最好辦法。

縱觀國內(nèi)外橋式起重機電氣傳動技術(shù)的發(fā)展，目前矢量控制方法中，直接轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)差頻率控制、恒壓頻比控制雖都有應(yīng)用，但各自使用后的性能差異還是比較明顯。

因為起重機行業(yè)雖應(yīng)用廣泛但工作特點相對于其他設(shè)備又比較特殊，變頻調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用相對晚一些，尤其是在新疆、甘肅等西部地區(qū)，近年來逐步引進了變頻調(diào)速的起重設(shè)備新技術(shù)。變頻調(diào)速裝置的先進性就是在惡劣情況下仍能工作，而工況惡劣恰好也是起重設(shè)備的一大特點，該技術(shù)無論從起重機工作性能的哪個方面分析，變頻調(diào)速技術(shù)都是具有絕對的優(yōu)勢。為此，就以起重重量5 噸的通用橋式起重機為例子，分析該種起重設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)用了變頻調(diào)速之后，系統(tǒng)所配備的電動機時應(yīng)注意的幾個問題。

1 變頻調(diào)速器對配套電機要求

用變頻調(diào)速時，會出現(xiàn)高次諧波，可能對電機的運行造成影響，同時在工頻電源下傳動時電機因為擴大轉(zhuǎn)速范圍而產(chǎn)生一些不同的特征。比如可能引起共振而使噪音增大，在超過額定頻率運行而使輸出力矩下降，由于風扇與電機同軸使得散熱不良而引起電機溫升等。隨著IGBT 等器件的逐步使用、矢量控制技術(shù)不斷成熟、PWM 調(diào)制技術(shù)進一步提高、還有增強型V/f 等控制方法的應(yīng)用等，彌補了變頻器在輸出波形、功率因數(shù)及諧波成份等方面的不足，使得電機在低速區(qū)的轉(zhuǎn)矩也能達到一定值。又因為變頻控制軟件被進一步優(yōu)化使用，使電動機與變頻器避免發(fā)生共振，系統(tǒng)在大范圍調(diào)速時不受共振干擾?，F(xiàn)在，變頻器可以和普通電機相匹配，除非對變頻器有一些較特殊的要求。

2 電機選型和冷卻問題

起重機通常在1:20 的調(diào)速比范圍內(nèi)提升或運輸重物，工作具有間歇性，一般接電持續(xù)率不超過0.6，負載慣量大。實際上變頻電動機有小的轉(zhuǎn)動慣量，響應(yīng)時間較短反應(yīng)快，在超轉(zhuǎn)速下任能工作。在不連續(xù)工作狀態(tài)下，普通電動機與變頻電動機特性相似；連續(xù)工作引起溫升，須考慮到冷卻效果，而普通電機的變頻驅(qū)動特性只是在不連續(xù)工作狀態(tài)和變頻電機幾乎是一樣的。

以西門子變頻器為例，當其調(diào)速比在1:20 的范圍內(nèi)，普通電動機在1.5 倍的過載力矩值下仍能正常工作。另外，起重機的工況特點決定了配備的電動機須大慣量且工作時間短，一般起重機不作業(yè)時間長，作業(yè)時間短。起重機起動時電機能承受250%的額定電流值，而變頻起動要求值是1.5 倍，而起重機運行機構(gòu)的電動機，在V 額定下其工作也在額定功率以下，因此由于高頻所引起電流值可忽略。但如果要求電機在工作周期的全過程中，速比都大于0.25 的情況下持續(xù)運行，我們就必須采用帶有強迫冷卻風機的電機。

3 電機的效率

在國外大多都選極數(shù)為4 的電動機與變頻器匹配，因為這時候電動機工作效率最高，功率因數(shù)最好，能源消耗最低。與低速電機相比高速電機的可取點在于電流和電纜截面小、電器配置容量相對較小、功率因數(shù)高。因為高速所以減速器傳動比變大，這樣減速器的體積也變大，但是可以從材料上解決該問題，比如硬齒技術(shù)、焊接箱體和新塑耐磨齒輪副等。雖然減速器價格低，但材料價格比較昂貴，可是電動機的體積重量卻是減小的，這樣一來使能源消耗和一次性投資大為降低，依然具有經(jīng)濟性。目前在大功率起重機械中有強迫通風性能來保證冷卻。

4 電機運行的功率因數(shù)及電機起動轉(zhuǎn)矩

轉(zhuǎn)動慣量較大是起重機運行機構(gòu)的一大特點，在啟動加速時需要較大的轉(zhuǎn)矩，這樣就對電動機電容有了新的要求。通常情況下加速功率Pa和負載功率Pr兩部分組成了電機容量，而加速功率比負載功率大，則容量P 為

式中的λms為電機平均啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。

如果電機既要額定轉(zhuǎn)速下近似滿載運行，又要求能承受電網(wǎng)電壓造成的波動沖擊，還要求1.1 倍的試驗載荷，那么所選用的電動機的過載力矩倍數(shù)λms必須不小于150%，或加速時間適當延長，減少加速的功率。如果估算一下，假如起重機每小時作20-25 個循環(huán)，在5～10s 范圍內(nèi)調(diào)整運行機構(gòu)的加速時間，這樣就會使機構(gòu)運行變得更加平穩(wěn)。

起重機是起升機構(gòu)運行時，電機起動時間是一至三秒，變速運動時間比等速運動時間長；轉(zhuǎn)動時的慣量影響不多，只占額定起升轉(zhuǎn)矩1.1-0.2。這時候電機容量P 為：

P=Cpgv/（1000η）(kw)

式中Cp——起重機額定提升負載，kg；

v——額定起升速度，m/s；

g——重力加速度，g=9.81m/s；

η——機構(gòu)總效率。

通過設(shè)計手冊推薦值可查，如果電機的試驗載荷想要擴大1.25 倍，則電壓波動的影響就不能忽略，所以要求電機的最大轉(zhuǎn)矩值至少都要大于2，低于上述值時，就必須先讓電機先釋放一部分電容，這樣來減少電動機的工作效率。利用上述公式計算，計算出電機容量，選用各執(zhí)行機構(gòu)電機參數(shù)，如表1 所示。

表1

變頻起重機的電動機選型好壞，直接影響起重機的工作性能，所以必須要注意電動機的選型等一系列問題。

[1]胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，1999:28-90.

[2]朱少祥等.可編程控制器（PC）原理及應(yīng)用.上海交通大學(xué)出版社，1998.

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