淺析橋式變頻起重機系統對電動機的要求

柴春花CHAI Chun-hua；王建民WANG Jian-min

（河北聯合大學，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備，廣泛應用于各個行業，為我國勞動力解放和整個國民經濟提高做出了突出貢獻。多年的使用人們不斷積累經驗，從橋式起重機的“人生各個階段”（設計—制造—使用—維修—管理）入手，經過不斷改造，使得橋式起重機的技術達到了一種新的境界。現在頻繁的超負荷作業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構開裂。所以，不僅要在機械設計、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。傳統方法多采用轉子回路串接電阻調速，屬于檔位調速，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，將有級調速改為無級調速，也就是利用電氣控制的方法來調速，實踐證明這正是解決以上振動沖擊的最好辦法。

縱觀國內外橋式起重機電氣傳動技術的發展，目前矢量控制方法中，直接轉矩控制、轉差頻率控制、恒壓頻比控制雖都有應用，但各自使用后的性能差異還是比較明顯。

因為起重機行業雖應用廣泛但工作特點相對于其他設備又比較特殊，變頻調速系統的應用相對晚一些，尤其是在新疆、甘肅等西部地區，近年來逐步引進了變頻調速的起重設備新技術。變頻調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備的一大特點，該技術無論從起重機工作性能的哪個方面分析，變頻調速技術都是具有絕對的優勢。為此，就以起重重量5 噸的通用橋式起重機為例子，分析該種起重設備系統應用了變頻調速之后，系統所配備的電動機時應注意的幾個問題。

1 變頻調速器對配套電機要求

用變頻調速時，會出現高次諧波，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速范圍而產生一些不同的特征。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、矢量控制技術不斷成熟、PWM 調制技術進一步提高、還有增強型V/f 等控制方法的應用等，彌補了變頻器在輸出波形、功率因數及諧波成份等方面的不足，使得電機在低速區的轉矩也能達到一定值。又因為變頻控制軟件被進一步優化使用，使電動機與變頻器避免發生共振，系統在大范圍調速時不受共振干擾。現在，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 的調速比范圍內提升或運輸重物，工作具有間歇性，一般接電持續率不超過0.6，負載慣量大。實際上變頻電動機有小的轉動慣量，響應時間較短反應快，在超轉速下任能工作。在不連續工作狀態下，普通電動機與變頻電動機特性相似；連續工作引起溫升，須考慮到冷卻效果，而普通電機的變頻驅動特性只是在不連續工作狀態和變頻電機幾乎是一樣的。

以西門子變頻器為例，當其調速比在1:20 的范圍內，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，一般起重機不作業時間長，作業時間短。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、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及電機起動轉矩

轉動慣量較大是起重機運行機構的一大特點，在啟動加速時需要較大的轉矩，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為電機平均啟動轉矩倍數。

如果電機既要額定轉速下近似滿載運行，又要求能承受電網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，在5～10s 范圍內調整運行機構的加速時間，這樣就會使機構運行變得更加平穩。

起重機是起升機構運行時，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；轉動時的慣量影響不多，只占額定起升轉矩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——機構總效率。

通過設計手冊推薦值可查，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，選用各執行機構電機參數，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.現代交流調速技術[M].機械工業出版社，1999:28-90.

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

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