起重機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)的分析

虞志遠(yuǎn)　楊燦興

摘 要：文章首先對(duì)起重機(jī)電氣調(diào)速方式進(jìn)行分析，包括繞線型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速、變頻調(diào)速以及調(diào)壓調(diào)速的方式，對(duì)變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)具有的影響進(jìn)行研究，對(duì)變頻調(diào)速的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；電氣調(diào)速系統(tǒng)；變頻調(diào)速

1 起重機(jī)電氣調(diào)速方式闡述

1.1 繞線型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

繞線型異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速包括轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻調(diào)速與串級(jí)調(diào)速，其中繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與附加電阻相互串聯(lián)，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差率提高，電動(dòng)機(jī)能夠在比較低的轉(zhuǎn)速下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。該方法的具體性能包括：調(diào)速的方向?yàn)橄抡{(diào)；調(diào)速的平滑性受到R2調(diào)節(jié)方式的影響；調(diào)速的穩(wěn)定可靠性差，則R2就越大，靜差率δ就越大；調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性能不好，在前期投資盡管比較小，然而損耗會(huì)不斷增加，且運(yùn)行效率不高；調(diào)速的范圍有限，會(huì)受到低速狀態(tài)下靜差率的約束。

除此之外，串級(jí)調(diào)速時(shí)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行分析，如果Ead和E2s頻率一致，且相位相同時(shí)則E2s和Ead疊加，增加Ead時(shí)I2s和T變大，而且T大于TL，轉(zhuǎn)速n也有所變大，轉(zhuǎn)差率s變小，造成I2s和T變小，直至T與TL保持一致，電動(dòng)機(jī)處于一個(gè)比較高的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。分析發(fā)現(xiàn)，串入的Ead越大，則轉(zhuǎn)速n也就越高。有關(guān)附加電動(dòng)勢(shì)Ead引入，利用晶閘管電路來(lái)完成。具體分析，串級(jí)調(diào)速具體性能包括：調(diào)速的方向可以實(shí)現(xiàn)上調(diào)和下調(diào)；調(diào)速的平滑性比較好，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；調(diào)速的穩(wěn)定可靠性比較好，機(jī)械特征的硬度不變，靜差率比較低；調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性分析，前期的經(jīng)濟(jì)投資比較大，然而運(yùn)行費(fèi)用較低，因此，效率高；調(diào)速范圍比較廣。

1.2 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速技術(shù)的基本原理是根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與工作電源輸入頻率成正比的關(guān)系：n=60f（1-s）/p，（式中n、f、s、p分別表示轉(zhuǎn)速、輸入頻率、電機(jī)轉(zhuǎn)差率、電機(jī)磁極對(duì)數(shù)），通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率達(dá)到改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。變頻器是通過(guò)電力半導(dǎo)體器件的通斷作用，對(duì)工頻電源進(jìn)行變換，從而轉(zhuǎn)換成另外一個(gè)頻率的電能控制設(shè)備。現(xiàn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換，之后把直流電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到頻率、電壓均可以實(shí)現(xiàn)控制的交流電源，最后將其提供給電動(dòng)機(jī)。變頻調(diào)速最顯著的優(yōu)點(diǎn)包括具備啟動(dòng)功能、選擇電磁設(shè)計(jì)、適應(yīng)各種工況、節(jié)能降耗，然而卻因?yàn)樽冾l調(diào)速的經(jīng)濟(jì)成本比較高，對(duì)其使用范圍有了一定限制。

當(dāng)電機(jī)減速或者起升機(jī)構(gòu)下放重物時(shí)，電動(dòng)機(jī)將機(jī)械慣性能量或位能轉(zhuǎn)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(guò)電壓跳閘，制動(dòng)電阻把這種能量轉(zhuǎn)換成熱量消耗掉。根據(jù)制動(dòng)單元功率大小的不同，制動(dòng)電阻可內(nèi)置或外置于制動(dòng)單元。制動(dòng)單元通過(guò)中間回路端子連接到變頻器上，當(dāng)中間回路電壓達(dá)到預(yù)定極限時(shí)，制動(dòng)單元自動(dòng)接通，通過(guò)電阻釋放電能，阻止中間回路電壓繼續(xù)升高。變頻調(diào)速系統(tǒng)要采取措施，抑制干擾，可通過(guò)屏蔽措施或變頻器輸出側(cè)加裝濾波器來(lái)加以抑制。在起重機(jī)上常用的變頻器廠商有西門子、ABB、日本安川等。

1.3 調(diào)壓調(diào)速

調(diào)壓調(diào)速的方式是以變化電動(dòng)機(jī)定子電壓的方式完成調(diào)速，針對(duì)單相電動(dòng)機(jī)而言，可以處于0～220V之間；針對(duì)三相電動(dòng)機(jī)，則可以處于0～380V之間。調(diào)壓用變壓器，假如變壓器是有級(jí)調(diào)壓，則電動(dòng)機(jī)也是有級(jí)調(diào)速，反之亦然。調(diào)壓調(diào)速最大的優(yōu)勢(shì)在于能夠把調(diào)速過(guò)程中出現(xiàn)的轉(zhuǎn)差能量進(jìn)行回饋利用，因此，效率較高。而且裝置容量和調(diào)速范圍成正比，一般用于70%～95%之間的調(diào)速，然而卻因?yàn)楣β室蛩乇容^低，存在諧波干擾的情況，正常運(yùn)行過(guò)程中無(wú)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，適用于單象限運(yùn)行時(shí)的負(fù)載。

2 變頻調(diào)速對(duì)起重機(jī)具有的影響分析

2.1 變頻調(diào)速的優(yōu)勢(shì)

（1）調(diào)速方面，變頻調(diào)速的調(diào)速比較平穩(wěn)，起重機(jī)就位比較準(zhǔn)確。變頻范圍在理論上能夠達(dá)到0～400Hz，而且加減速曲線能夠進(jìn)行選擇，加減速時(shí)間能夠進(jìn)行調(diào)動(dòng)；（2）操作方面，使得起重機(jī)操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單，變頻控制就是在獲取指令之后利用計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成操作和控制，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各種不同的邏輯動(dòng)作，從而降低勞動(dòng)強(qiáng)度；（3）起重機(jī)起動(dòng)方面，由于是軟起動(dòng)和制動(dòng)，所以機(jī)械沖擊小，從而使其壽命延長(zhǎng)。解決過(guò)去存在的機(jī)械影響過(guò)度的頻率控制問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)變速。是非常小的加速度，速度平穩(wěn)過(guò)渡，所以受到的影響相對(duì)較小，從而使整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)的勞損改善。機(jī)構(gòu)之間的磨損也大大降低，特別是變頻調(diào)速可以實(shí)現(xiàn)零速制動(dòng)，相當(dāng)于支持制動(dòng)駐車制動(dòng)解除制動(dòng)，機(jī)械壽命理論上可以達(dá)到無(wú)窮大，極大地提高了起重機(jī)作業(yè)安全性；（4）起重機(jī)故障率方面，調(diào)查發(fā)現(xiàn)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(dá)到了非接觸式控制和中間部分的一個(gè)過(guò)渡，有效避免了傳統(tǒng)控制中容易出現(xiàn)的問(wèn)題，如接觸器燒壞和粘結(jié)；（5）除此之外，變頻調(diào)速的安全保護(hù)設(shè)備精度比較高，大大降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，具有非常顯著的節(jié)能效果，在一定程度上消除了共振，對(duì)于動(dòng)剛度而言有所改善，具有比較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，避免產(chǎn)生溜鉤并真正完成了“零速交叉”的功能，具有相對(duì)完善的保護(hù)功能，比如過(guò)壓、過(guò)流、輸入輸出缺相、過(guò)熱等保護(hù)功能，以及比較豐富的開關(guān)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(dòng)方式類型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控功能等。

2.2 變頻調(diào)速的不足之處

起重機(jī)變頻調(diào)速具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然也存在一些缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)集中在變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的電磁兼容性，也就是變頻調(diào)速系統(tǒng)容易對(duì)其它電氣裝置產(chǎn)生一定的干擾，同時(shí)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(yīng)用半導(dǎo)體開關(guān)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(huì)對(duì)供電系統(tǒng)、負(fù)載及其它電氣設(shè)備產(chǎn)生干擾，甚至?xí)?dǎo)致電氣設(shè)備無(wú)法正常地工作，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致起重機(jī)整機(jī)的性能及穩(wěn)定可靠性下降，對(duì)設(shè)備與人身安全造成嚴(yán)重的威脅。變頻調(diào)速對(duì)于機(jī)上其它電氣設(shè)備產(chǎn)生的影響是變頻器在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的高次諧波引發(fā)干擾，包括傳導(dǎo)、電磁輻射以及感應(yīng)耦合三種類型。

3 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，隨著起重機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，但是也要認(rèn)識(shí)到變頻調(diào)速在應(yīng)用過(guò)程中也產(chǎn)生了許多問(wèn)題，文章對(duì)起重機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行研究和探討，以期對(duì)起重機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用起到一定的促進(jìn)作用。

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