变频器在吊运熔融金属起重机上的安全作用分析

李昌杰 刘爱国 席慧敏

（河南省特种设备安全检测研究院，河南 郑州 450004）

起重机械是一种危险性较大的特种设备，吊运熔融金属的起重机运行环境恶劣，其起升机构事故发生概率高，如坠落、脱钩、倾翻、折断等，主要与起升机构及其控制系统直接相关。起重机安全预警机制的引入，可降低起重机械的使用风险，而可靠的起升机构及其控制系统能够减少事故。

1 传统起升机构控制

吊运熔融金属的桥式起重机，最频繁的机构是起升机构，重载低速，轻载高速，制动和正反转频繁，加上高温、粉尘等环境，导致接触器线圈衔铁不释放，接触器触点发生粘连，停滞现象［1-2］。

当遇到制动接触器的辅助触点-ZC（11，12）因各种原因发生断路时，下降4～6 档任一档都会经过第1，2，3 档。此时上升方向接触器ZC 得电，-ZC（17，18）闭合，在下降第2，3档时，使制动器接触器ZDC得电，制动器开闸。下降到4～6 档时，重物悬空，电机下降方向接触器断开，电机失电，制动器自锁开闸，此时重物发生坠落。

重物停止在一定高度再次启动时，上升方向1～6档，下降方向2～3 档，上升方向控制电源或动力电源出现故障而失电，制动器却不能抱闸，重物便自由落体运动；下降方向4～6 档，下降方向控制电源或动力电源出现故障而失电，制动器却不能抱闸，重物便自由落体运动。

变频调速技术发展到今天已完全克服了上述不足，不仅能保证安全，同时对电动机要求不高，采用普通鼠笼型异步电动机即可，电机制造工艺简单，使用维护方便。

2 变频器控制

变频器将原来直接通入定子绕组的工频交流电先行通入变频器中，其中整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆成交流电。将变频器输出的交流电再通入定子绕组中，通过变频器改变输出频率，使电机转速下降的同时还能保证其输出适当的转矩，实现无级调速。

2.1 变频器调速的基本原理

式中，n-异步电机的转速（r/min）；f-异步电机的频率（Hz）；S-异步电机转差率；P-电动机极对数。

异步电机转子的转速n与旋转磁场的转速n0（又称同步转速）不同，两者之差称为转差［3］。

固有机械特性是指电动机在额定电压和额定频率下，按规定接线，定、转子电路不外接阻抗时的机械特性，人为机械特性是指人为改变电源参数或电动机参数而得到的机械特性。交流变频调速电机的机械特性由负载的大小决定。常用的变频器通过降低或增加电源频率的方法，使得电机的人为机械特性不断切换。

定子产生的磁场转速（同步转速）为1 440r/m，工作点“Q1”的转速为n1=1 500r/m，频率50Hz 在第一象限，通过降低频率而减速，在频率下降的瞬间，人为机械特性已经切换到曲线②，工作点由Q1跳变到Q’，进入第二象限，电机处于再生制动状态（发电状态）。其电动机转矩变为反方向制动转矩，使电机转子速度迅速下降，又重新进入第一象限，到达Q2点，转速为1 350r/m，频率为45Hz，接着处于稳定运行状态。此时，Q2点便是频率降低后新的工作点，其中TL为电机处于②机械特性曲线，转速为n2时对应的电磁转矩。

2.2 三相异步电动机变频调速原理

三相异步电动机变频调速方式一般分为恒磁通和恒功率变频调速。异步电动机定子供电电压一定时，每极磁通Φ随频率f1的变化而变化，若频率f1从额定频率50Hz往下降低，磁通将会增加，造成电动机中磁路过度饱和，定子电流中励磁电流部分大大增加。这将使电动机的铁心损耗增加，因此通常使磁通恒定，即Φ为常数。

以上是恒磁通变频调速原则，此条件下变频调速，电机的主磁通和过载能力不变。在基频以下调速时，保持恒转矩调速。交流异步电动机恒转矩变频调速主要通过降低供电电源的频率f1来降低鼠笼异步电动机的同步转速n0，从而使电动机获得平滑的速度变化。

2.3 起升机构防溜钩

2.3.1 重物升降速度逐渐为0。为防止溜钩，需要电气制动配合制动器。起升机构停车的控制中，变频器与制动器时序配合，在升降过程中，需要停车时，变频器发出停车信号，当输出频率下降到fbs时，发出制动器抱闸命令。此命令维持时间tbb应略大于制动器从释放状态到完全抱闸的时间，同时过程中变频器输出频率保持不变，保持足够的转矩。抱闸时间结束后，制动器闭合，变频器输出频率直接下降到0。

2.3.2 重物半空中由0 速升降。当变频器工作后，频率上升至fRD，暂停上升。在制动器电磁铁通电前，变频器需要检测当前是否有足够大的输出电流可以控制重物的升降，不会出现溜钩。设定检验电流的时间为tRC，继续保持频率为fRD，之后制动器开始松闸，频率仍要保持在fRD一段时间tRD，tRD大小应略大于制动器从完全抱死到完全松开所需要的时间。制动器完全松开后，变频器将工作频率上升至所需要的频率fX。无反馈矢量控制的变频器，可以使电机在0.5Hz下达到150%的额定转矩。

当变频器有反馈矢量控制时，变频器具有“启动前的直流强励磁功能”。变频器可以在启动之前，自动进行直流强励磁，使电动机有足够大的转矩，有速度传感器的矢量控制，可以在电机转速0 r/min 时达到200%的额定转矩。这样就可以维持重物在空中的静止状态，保证电磁制动器在释放过程中不会溜钩。时序图如图1所示。直流制动励磁功能，即变频器在启动之前自动进行直流强励磁制动，使电动机有足够大的启动转矩，维持重物在空中的停止状态，以保证电磁制动器在释放过程中不会发生溜钩。

图1 起升机构启动的控制过程

3 结论

使用变频器的起升机构能够实现重物无论是从升降到停止，还是从停止到升降过程中不溜钩。实现了起重机的起升机构在一定速度范围内的无级调速功能，运行平稳。同时节能降耗且维护检修工作更加简单快捷。

［1］杨金龙.冶金桥式起重机电气控制回路的改造［J］.起重运输机械，2012（2）：83-85.

［2］陈曦.冶金起重机起升机构电动机失电保护初探［J］.机电技术，2010（3）：110.

［3］赵国.起重机械电气安全技术检验［M］.大连：大连理工大学出版社，2008.