起重機電機驅動系統中電子變頻器性能優化與調試策略研究

【關鍵詞】起重機；電機驅動系統；電子變頻器；性能優化；調試策略

一、電子變頻器性能分析

（一）電子變頻器基本原理

電子變頻調速系統是起重機電動機調速系統的核心部件，它能根據起重機不同工作狀態的要求，對電動機的速度、轉矩進行調節。起重機電動機調速系統能根據吊車的負載情況，準確地調整電動機的轉速，使其運動更順暢，效率更高。其中包含的變頻調速裝置是一種能把固定頻率的電源輸入變換成頻率可調、電壓可調的功率調節裝置。另外，逆變器則是將直流電源轉換成頻率可調、電壓可調的交流電源的裝置，為電動機提供電力。該逆變器由IGBT、MOSFET等高頻開關器件及控制電路構成，可精確控制電流、電壓，進而調節電機運行狀態。

變頻調速系統在起重機械傳動系統中有很多優點。首先，它具有大范圍的調速功能，在低轉速和高轉速之間的切換不需要改變馬達的機械結構，只需要調節變頻器的輸出頻率就可以了。其次，變頻調速系統可通過控制電壓、電流波形使電動機平穩啟停，降低起停沖擊對起重機及其他設備造成的損害。另外，變頻調速系統具有調節效率高，可靠性高，維修方便等優點，對提高行車效率、可靠性，減少能耗及維修費用具有重要意義。當前，變頻器在各種起重機的電動機傳動系統中得到了廣泛應用，如橋式起重機，塔式起重機等[1]。采用變頻調速，可使吊車平穩啟動，精確定位，調速及負載控制。同時，本系統還具有過載保護、過熱保護、低電壓保護等多種保護功能，確保了起重機的安全運行。

（二）性能參數評價指標

起重能力是衡量電子變頻器性能的一個重要指標。它是指起重機吊運重物時所能承受的最大載重量。電子變頻器可提供充足的功率及轉矩，可使起重機能快速、穩定地升降重物。在實際應用中，由于起重機種類及作業環境的不同，對起重能力的要求也各不相同，一般采用噸位計量。

調速范圍是衡量電子變頻器性能的另一重要指標。它代表了起重機電動機工作時所能達到的調速范圍。電子變頻器調速范圍大，能夠使吊車由低速向高速平穩過渡，適應各種工作條件。起重機在吊裝、卸載、吊裝過程中，需要對不同轉速進行控制，因此，拓寬調速范圍對其運行與控制具有重要意義。例如，當吊車電動機傳動系統轉速調節范圍是0～10米/秒時，慢速精確定位可執行1米/秒，高速運動可執行10米/秒。更寬的調速范圍意味著起重機可以更靈活地適應不同的作業要求和工作環境。

準確定位能力是衡量電子變頻器性能的一個重要指標。當起重機需要將重物精確定位至指定位置時，其準確的定位能力顯得尤為重要。為了使起重機能準確地調整位置，確保起重設備的安全高效，電子變頻器必須能提供高精度的頻響和扭矩控制。假設吊車馬達傳動系統能精確定位±1毫米，也就是說，該系統能使吊車在1毫米范圍內精確控制位置。

這對于一些要求精密定位的作業（如組裝、精密搬運等）具有重要意義[2]。起止時間是衡量電子變頻器性能的又一個重要指標。它代表了電子變頻器啟動或停止運行所需要的時間。起重機在實際生產過程中，起停操作頻繁，快速啟停對提高起重機的工作效率和響應能力具有重要意義。

二、電子變頻器性能優化策略

（一）控制算法優化

優化電子變頻器控制算法是其性能優化的重要途徑，直接關系到其運行效果。起重機電機傳動系統轉矩控制算法是實現負載平穩精確控制的關鍵。采用最優轉矩控制算法，可有效地提高啟動、加、減速過程的穩定性與精度。比如，利用先進的矢量控制技術，結合反饋信息，實時調節轉矩輸出，使不必要的振動和振動降到最低。為了滿足不同工況對速度的要求，起重機電動機驅動系統必須能達到精確的轉速控制。通過對速度控制算法的優化，提高了起重機在高、低、變工況下的響應速度及控制精度。例如，采用先進的PID控制算法，結合速度反饋與預測模型，使速度調整更平穩。對于一些起重操作，如吊裝，堆放等，精確的位置控制顯得尤為重要。因此，對定位控制算法進行優化，如利用閉環控制算法，結合位置反饋系統及高級濾波技術，可實現精密定位與位置控制。除了精確地控制，能量效率也是電子變頻器性能優化的關鍵。通過優化控制算法，可有效地提高起重機電機傳動系統的能量利用率，減少能耗。比如，通過智能調節技術，實現對負荷的動態調節，實現對電能的回饋與回收。

（二）硬件選型和設計優化

為了最大限度地發揮電子變頻器的性能，提高其穩定性，對其硬件選擇與設計進行優化具有重要意義。變頻器作為起重機電機傳動系統中的核心設備，其合理的選型直接關系到整個系統的性能。變頻器的選型要綜合考慮其負載特性、工作環境及控制要求。如大功率起重機在重載、高轉速下，必須選用性能好、功率大、可靠性高的變頻器。在起重機電動機傳動系統中，電動機也是核心部件，合理選用電動機并與變頻器進行匹配顯得尤為重要。電動機的選型應綜合考慮額定載荷、調速范圍及效率要求。例如，對于重型吊車，必須選用高轉矩、高效率的電動機，才能保證高負荷、低轉速下的穩定性與精確控制。起重機電動機傳動系統綜合布線設計要考慮供電、信號傳輸、控制等環節。合理的配線設計能有效地降低信號的干擾，增強系統的抗干擾能力及可靠性。例如，為了減少相互干擾，可采用分路設計，即將電源線與信號線分開配置[3]。起重機電機傳動系統常工作于高溫、高濕、多塵等惡劣環境中。通過合理的硬件選擇與優化設計，保證了系統在惡劣工況下的穩定運行。例如，可選用具有防塵、防潮、耐腐蝕等特點的設備及元器件，并對其進行合理的散熱設計，以保證其在高溫環境中運行的可靠性。

（三）運行參數優化

起重機電機傳動系統運行參數優化，是通過調節各參數，最大限度地提高系統性能，提高能源利用率。首先，電子變頻器輸出頻率對吊車電動機的速度有很大的影響。例如，對輕型吊車而言，頻率設定在60Hz時，可獲得高效率、高速度的效果；對于重型吊車來說，把頻率調到30Hz，就能輸出更大的轉矩。在不同的載荷條件下，采用最佳的頻率設定，可使起重機電動機傳動系統達到最優的性能。其次，起重機起停時的加減速時間對系統的響應速度及平穩性有很大影響。例如，采用5秒加速、3秒減速等方法，可有效地降低起重機運行時的機械沖擊及振動，提高起重機電動機傳動系統的運行穩定性。再次，在一些起重機的應用中，角度控制是很重要的，例如塔式起重機的旋轉，臂的伸縮控制等。例如，通過調節角度控制的加速度及減速度參數，使加速度設定在50°/s22，減速度設定在30°/s2，能夠使起重機的回轉及起重臂的伸縮動作更平滑、更準確。最后，功率因數的優化能夠降低電能浪費，降低成本。例如，若采用功率因數校正裝置或加裝電容器，并加以適當調整，使功率因數達到0.98以上，則可降低無功損耗，提高功率因數效益。

（四）能效優化措施

首先，起重機電動機是影響系統能源效率的一個重要因素。選用高效電機，可減少能耗，提高系統效率與性能。如采用高效三相感應電動機（IE3），其能量效率較傳統電機提高10%左右。同時，采用多段式、永磁同步電動機等低轉子整流損耗的電機也可以進一步提升能源效率。選擇與之相匹配的電子變換器是實現能源效率優化的關鍵。其次，優秀的變頻器設計與控制算法能夠最大限度地提高能源效率。如利用高效率IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）及先進脈寬調制（PWM）控制技術，可有效降低能量損失，提高轉換效率。再次，起重機電機在減速時會產生反向電能，能量回饋技術可將其回饋至電網或其他電機傳動系統，實現能量的再利用。如利用準無功電流型逆變技術，將逆變電能回饋電網，可降低能量損失，提高系統能量效率。最后，采用負載檢測、智能磁控、睡眠等先進節能控制策略，可在保證吊車正常工作的前提下達到節能降耗的目的。比如，根據實時負荷狀況，自動調節變頻器輸出頻率、功率，開啟休眠模式減少待機功耗等，都能有效地減少系統能耗。

三、電子變頻器調試策略研究

（一）調試過程和方法論

在起重機電動機傳動系統中，變頻器的調試是保證系統正常工作并優化其性能的一個重要環節。有幾個準備工作要做：首先，了解起重機電動機傳動系統的設計及技術指標，包括額定電壓，額定功率，額定轉速等。其次，檢查電源及電氣接線情況，確認變頻器與電動機的電源、信號線路是否正確、可靠。另外，要備好必要的測量儀器，如電壓表，電流表，頻譜分析儀等。在實際調試前，必須對電子變頻器的參數進行設定與校驗。根據電動機的額定參數及運行要求，設定電動機的額定電壓，額定頻率，轉矩曲線等有關參數。同時，對變頻器進行標定，確保參數的準確、一致，從而保證有效的控制效果。電子變頻調速系統的調試可分為幾步進行：首先，對電動機進行基本的調試，包括電動機的啟停、正反轉和轉速控制。然后逐步加載，調節速度，觀察馬達反應及工作狀況，檢查有無異常狀況或故障。其次，對電動機的電流、電壓進行調試，并對其電流、電壓波形進行監控，以保證其滿足設計要求，并能穩定運行。最后，對速度環控制、位置環控制等高級控制功能進行調試，對控制參數及設定進行優化，從而達到高精度的運動控制與定位。另外，還需要及時排除調試中可能會遇到一些故障。通過對變頻器及電動機參數的設定、接線及信號輸入的檢查，對故障現象進行分析，逐步找出故障原因并加以排除[4]。

（二）常見問題和解決方案

起重機電動機傳動系統在調試電子變頻器時，會遇到一些常見的故障。在啟動電動機時，可能發生電動機不能啟動或啟動后又立即停機等故障。這種故障一般由電動機參數設定不當或輸入信號受干擾所致。解決的辦法就是檢查并調試電動機的各項參數，如電壓，頻率，轉矩等，確保與變頻器設定相符。此外，對輸入信號進行干擾檢查，如信號線路接觸不良、干擾源等，確保輸入信號穩定。

在使用過程中，電機可能會產生振動、噪聲等，會影響到系統的正常運轉及工作環境。其原因可能是馬達轉子不平衡，馬達安裝松動，馬達參數設定不正確等。解決辦法是對電動機進行動平衡調試，保證電動機轉子具有良好的平衡性；檢查馬達安裝狀況，將松動的零件擰緊；同時對電動機的參數進行了優化，使電動機的運行更加順暢。

電機在運行過程中，存在著轉速波動大的問題。其原因可能是電動機的控制參數設定不合理，負載變化幅度很大，或者電源電壓不穩定。如此，則需要重新調整控制參數、優化轉速及位置控制回路參數；同時，采取穩壓措施，確保系統穩定運行。

當電動機運轉時，過流保護可能被觸發，使電動機停止運轉。這通常是由于電動機負載過大，電動機線圈發熱，或者變頻器輸出電流設定不當所致。解決辦法是檢查電動機負載狀況，適當減載；加強對電動機的冷卻措施，例如在電動機上增設通風設備或冷卻設備；調節變頻器輸出電流限值，使其在安全范圍內工作。

（三）調試工具和技術支持

為了更好地完成電子變頻器的調試工作，適當的調試工具及技術支持顯得尤為重要。變頻器參數調試軟件是一類專為電子變頻器調試而開發的軟件。此類軟件具有豐富的參數設定與監測功能，可對電機運行狀態進行實時監控，并對控制參數進行調整。利用此類軟件，調試人員可方便地設定變頻器的參數，實時監控，迅速查找故障點。信號發生裝置是一種能產生多種電信號的裝置。該信號發生器可用于電子變頻器調試時模擬輸入信號，并對其響應及性能進行驗證。例如，通過調整信號發生器的頻率、幅度等參數，能夠模擬出不同工作狀態下的輸入信號，從而驗證變頻調速系統在不同負載、頻率情況下的穩定性。電動機的故障檢測與診斷，對電動機的電流、轉速、溫度等參數進行監控，并根據預先設定的故障特征，對故障進行診斷與報警[5]。利用故障診斷工具，可對電機驅動系統中出現的故障進行及時診斷與排除，從而提高系統運行的可靠性與穩定性。及時的技術支持對電子變頻調速系統的調試至關重要。由供應商或廠商提供技術支持，可為調試人員提供專業指導及解決方案。技術支持團隊具有豐富的經驗，能夠迅速發現故障，提出解決方案，保證了系統的正常運行。

結語

本文以起重機電機傳動系統為例，探究了電子變頻調速系統的性能優化及調試策略。未來，筆者將以此為基礎，進一步探索更多的優化策略及調試方法，使其更可靠、更有效地應用于起重機電機傳動系統，實現其高效、綠色、低成本的運行效果。