浅析桥式变频起重机系统对电动机的要求

柴春花CHAI Chun-hua；王建民WANG Jian-min

（河北联合大学，唐山 063009）

（Hebei United University，Tangshan 063009，China）

0 引言

作为搬运机械，桥式起重机是一种通用机械设备，广泛应用于各个行业，为我国劳动力解放和整个国民经济提高做出了突出贡献。多年的使用人们不断积累经验，从桥式起重机的“人生各个阶段”（设计—制造—使用—维修—管理）入手，经过不断改造，使得桥式起重机的技术达到了一种新的境界。现在频繁的超负荷作业和工作中振动冲击而引起的机械疲劳还是会造成桥式起重机的结构开裂。所以，不仅要在机械设计、材料选择及加工工艺上做研究，还要从起重机的控制方式上下功夫。传统方法多采用转子回路串接电阻调速，属于档位调速，操作加速时逐级更换，换挡时由于机械冲击大，对起重机造成的振动比较明显，所以为减少换挡冲击，将有级调速改为无级调速，也就是利用电气控制的方法来调速，实践证明这正是解决以上振动冲击的最好办法。

纵观国内外桥式起重机电气传动技术的发展，目前矢量控制方法中，直接转矩控制、转差频率控制、恒压频比控制虽都有应用，但各自使用后的性能差异还是比较明显。

因为起重机行业虽应用广泛但工作特点相对于其他设备又比较特殊，变频调速系统的应用相对晚一些，尤其是在新疆、甘肃等西部地区，近年来逐步引进了变频调速的起重设备新技术。变频调速装置的先进性就是在恶劣情况下仍能工作，而工况恶劣恰好也是起重设备的一大特点，该技术无论从起重机工作性能的哪个方面分析，变频调速技术都是具有绝对的优势。为此，就以起重重量5 吨的通用桥式起重机为例子，分析该种起重设备系统应用了变频调速之后，系统所配备的电动机时应注意的几个问题。

1 变频调速器对配套电机要求

用变频调速时，会出现高次谐波，可能对电机的运行造成影响，同时在工频电源下传动时电机因为扩大转速范围而产生一些不同的特征。比如可能引起共振而使噪音增大，在超过额定频率运行而使输出力矩下降，由于风扇与电机同轴使得散热不良而引起电机温升等。随着IGBT 等器件的逐步使用、矢量控制技术不断成熟、PWM 调制技术进一步提高、还有增强型V/f 等控制方法的应用等，弥补了变频器在输出波形、功率因数及谐波成份等方面的不足，使得电机在低速区的转矩也能达到一定值。又因为变频控制软件被进一步优化使用，使电动机与变频器避免发生共振，系统在大范围调速时不受共振干扰。现在，变频器可以和普通电机相匹配，除非对变频器有一些较特殊的要求。

2 电机选型和冷却问题

起重机通常在1:20 的调速比范围内提升或运输重物，工作具有间歇性，一般接电持续率不超过0.6，负载惯量大。实际上变频电动机有小的转动惯量，响应时间较短反应快，在超转速下任能工作。在不连续工作状态下，普通电动机与变频电动机特性相似；连续工作引起温升，须考虑到冷却效果，而普通电机的变频驱动特性只是在不连续工作状态和变频电机几乎是一样的。

以西门子变频器为例，当其调速比在1:20 的范围内，普通电动机在1.5 倍的过载力矩值下仍能正常工作。另外，起重机的工况特点决定了配备的电动机须大惯量且工作时间短，一般起重机不作业时间长，作业时间短。起重机起动时电机能承受250%的额定电流值，而变频起动要求值是1.5 倍，而起重机运行机构的电动机，在V 额定下其工作也在额定功率以下，因此由于高频所引起电流值可忽略。但如果要求电机在工作周期的全过程中，速比都大于0.25 的情况下持续运行，我们就必须采用带有强迫冷却风机的电机。

3 电机的效率

在国外大多都选极数为4 的电动机与变频器匹配，因为这时候电动机工作效率最高，功率因数最好，能源消耗最低。与低速电机相比高速电机的可取点在于电流和电缆截面小、电器配置容量相对较小、功率因数高。因为高速所以减速器传动比变大，这样减速器的体积也变大，但是可以从材料上解决该问题，比如硬齿技术、焊接箱体和新塑耐磨齿轮副等。虽然减速器价格低，但材料价格比较昂贵，可是电动机的体积重量却是减小的，这样一来使能源消耗和一次性投资大为降低，依然具有经济性。目前在大功率起重机械中有强迫通风性能来保证冷却。

4 电机运行的功率因数及电机起动转矩

转动惯量较大是起重机运行机构的一大特点，在启动加速时需要较大的转矩，这样就对电动机电容有了新的要求。通常情况下加速功率Pa和负载功率Pr两部分组成了电机容量，而加速功率比负载功率大，则容量P 为

式中的λms为电机平均启动转矩倍数。

如果电机既要额定转速下近似满载运行，又要求能承受电网电压造成的波动冲击，还要求1.1 倍的试验载荷，那么所选用的电动机的过载力矩倍数λms必须不小于150%，或加速时间适当延长，减少加速的功率。如果估算一下，假如起重机每小时作20-25 个循环，在5～10s 范围内调整运行机构的加速时间，这样就会使机构运行变得更加平稳。

起重机是起升机构运行时，电机起动时间是一至三秒，变速运动时间比等速运动时间长；转动时的惯量影响不多，只占额定起升转矩1.1-0.2。这时候电机容量P 为：

P=Cpgv/（1000η）(kw)

式中Cp——起重机额定提升负载，kg；

v——额定起升速度，m/s；

g——重力加速度，g=9.81m/s；

η——机构总效率。

通过设计手册推荐值可查，如果电机的试验载荷想要扩大1.25 倍，则电压波动的影响就不能忽略，所以要求电机的最大转矩值至少都要大于2，低于上述值时，就必须先让电机先释放一部分电容，这样来减少电动机的工作效率。利用上述公式计算，计算出电机容量，选用各执行机构电机参数，如表1 所示。

表1

变频起重机的电动机选型好坏，直接影响起重机的工作性能，所以必须要注意电动机的选型等一系列问题。

[1]胡崇岳.现代交流调速技术[M].机械工业出版社，1999:28-90.

[2]朱少祥等.可编程控制器（PC）原理及应用.上海交通大学出版社，1998.

[3]刘小庆.基于PLC 控制的变频调速在桥式起重机中的应用[D].武汉科技大学，2005.