塔式起重机电能耗测试分析

李 涛，鲁卫涛，王振杰，张磊庆

（1.中国电力科学研究院 输变电工程研究所，北京 100000；2.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊，065000）

塔式起重机电能耗测试分析

李 涛1，鲁卫涛2，王振杰1，张磊庆2

（1.中国电力科学研究院 输变电工程研究所，北京 100000；2.中国建筑科学研究院 建筑机械化研究分院，河北 廊坊，065000）

通过完成规定的测试流程和测试工况，对两台不同力矩的塔机电能耗进行了测试，得到了塔机起升机构的能耗数据，通过对比变极调速和变频调速两种方式在带载起升、空载起升及空载下降过程中的能耗，分析了各自优缺点，对塔机能耗测试有一定借鉴意义。

塔式起重机；电能耗；电机；调速；测试

塔式起重机（以下简称塔机）是完成将重物按照指定的方式进行位移的机械设备。塔机的机械做功过程，是完成将重物按照指定的方式进行位移的过程，是按照司机操作指令，由各执行机构共同配合控制完成规定动作的过程。塔机进行机械做功时必然要消耗一定的电能，因制造差异和使用过程中的不确定因素，要分析塔机完成规定动作产生的能耗，是一个较为复杂的能耗综合分析过程。

1 电能耗测试影响因素

塔机所选用的动力单元绝大多数为电机拖动的单元，因电机制造的固有差异和塔机自身的起重特性、结构形式及所采取的调速控制方式各有不同。按照塔机的实际应用，其操作方式多采用多种方式结合控制的特点。因此，塔机完成规定工作，所产生的电能耗是一个复杂的电气变化过程。

在塔机中应用的电动机，按照结构形式主要可以划分为鼠笼电机、绕线电机、力矩电机、变频电机和直流电机等类别。根据塔机所采用的调速控制应用的方式又可以大致分为变极调速、串电阻调速、自耦降压调速、调压调涡流调速、变频调速和直流控制调速等方式。

电能耗（即耗电量）通常情况下是指电气设备用电的视在功率，视在功率是电气参数中的有功功率、无功功率和待机功率等参数值的总和。耗电量的物理计算公式为电压、电流和时间的乘积，所以，其中任何一项或多项因数变化都会给最终的结果造成变化。在电机拖动应用的调速过程中，电机启动、加速和减速过程都会造成电压、电流的跳跃性变化（如电机启动时的电流是额定电流的5～7倍），这种变化会对最终的耗电量产生较大影响。

2 电能耗测试与分析

塔机在采用以上多种电机和多种调速方式相结合的控制方式下，它们的电能耗会产生什么差异呢？我们根据被测塔机的特性，采取了严格的测试流程和特定的测试工况，对不同力矩的行走动臂式塔机进行了测试。测试工况是塔机固定停在轨道某处，起吊砝码（重物）为固定重量，起升高度和变幅距离按照测试工况设为固定行程，电能测试仪表为可记录反向电功的电能表。现将所测数据及能耗分析说明如下（因篇幅所限，仅以起升机构测试进行分析）。

2.1 STD31/12塔机的测试分析

测试塔机型号为STD31/12，最大起重量为8t，起重力矩为630kNm，结构形式为动臂式行走式，起升电机功率为14kW，采取的电控方式分别是起升、变幅和行走机构为变极调速、回转机构为调压调涡流调速；砝码重量为1.1t，高程20m。按照规定的测试工况，测得起升能耗数据，如表1。

表1 STD31/12塔机起升能耗测试数据

根据表1中的数据，分析如下。

塔机的起升机构采取的是变极调速的方式，就是改变电机的极对数使电机的转速改变。这样的调试方式是通过接触器的配合切换完成电机不同的定子绕组分时通电，使电机的极对数改变来实现调速。这样，在电机改变速度时，会造成电压、电流的跳跃性变化，同时也使得电机耗电功率产生跳跃性变化。

带载起升、空钩起升和空钩下降的耗电量几乎随时间呈单调性变化，是因为重复操作较为平稳，变极调速电机在起升、下降过程中大部分时间是处于较为稳定的加速和电气制动过程，依据变极调速的功率特性属于正常的耗电变化。

带载下降过程中，耗电量明显低于其它的耗电量，是因电机被反拖后发电，电能回馈电网所致。变化规律应呈现反比的变化规律，但所得数据并非如此。第一次带载下降的耗电量明显高于后两次，究其原因：①人为造成，因操作司机在操作过程中进行两次换挡减速造成时间的增加，而换挡减速在变极调速中需要切换电机绕组，造成电压、电流跳跃，使得耗电量值瞬时大幅增加；②因时间的增加，会更多地累计设备中待机耗电量，也造成最终的耗电量的增加。

2.2 S480LH24塔机的测试

测试塔机型号为S480LH24，最大起重量为24t，起重力矩为4800kNm，结构形式为动臂式行走式，起升电机功率为110kW（变频电机），采取的电控方式分别是起升、变幅和行走机构为变频调速（无回馈）、回转机构为调压调涡流调速；砝码重量为4t，高程30m。按照规定的测试工况，测得起升能耗数据，如表2。

表2 S480LH24塔机起升能耗测试数据

根据表2中的数据，分析如下。

塔机的起升机构采取的是变频调速的方式，变频调速的特点主要有降低电机的启动电流冲击、实时控制调整电机的给定频率（旋转频率）、速度闭环控制和实现低转速满扭矩输出等。变频调速控制中，几乎可以实现电机在调速全过程不超过额度功率，只是在加速过程中会出现短暂的电压、电流的小幅上升。

带载上升过程中，第一次的用电量和后两次比较，呈现与时间成反比的变化，即用时长而耗电量低了。出现这样的情况，是因为起升时维持在低速运行的时间比较长所致，因为变频控制只要可以满足实际输出转矩和功率，变频器就可以控制电机在低功率、规定转速下运行（即低功率运行），这样并不会造成的耗电量大幅增高，而远小于变频器驱动电机加速时（电压、电流同时上升）所消耗的电功率。所以，才呈现了第一次测试中的反比情况。

带载下降过程中的耗电量并未出现像STD31/12塔机测试的耗电量急剧减小的情况，是因为此变频器没有电能回馈电路，而是通过制动电阻将该部分电能转换成热能消耗。另外，数据显示耗电量随着时间单调变化，系带载下降过程中，电机几乎没有驱动力，多数工作在能耗制动状态，所以时间的增加造成耗电量的增加是因为待机损耗造成。

空钩状态的起升和下降无较大差异性变化，是因为电机处于空载状态，几乎不需要大的启动电流就可以使得电机迅速达到给定的转速。造成耗电量变化的主要是电机的启动和加速过程产生的耗电量，以及待机耗电因时间的不同造成的微小差异。

3 结 语

就以上分析的塔机所应用的电控调速方式来看，变极调速具有电路直观易于维护、调速过程冲击大、调速范围小、转矩小和机械性能差等特点，虽有再生能源回馈，但这样的回馈是被电网被迫接收的，更多的是干扰了电网，能源利用微乎其微。变频调速具有电路简洁、调速过程稳定且冲击小、调速范围大、转矩大和可获得良好的机械性能等特点，但增加了运维的专业技能和特定情况下的运维成本，以及再生能源没有被利用的应用缺陷。塔机还应用了其它一些电控方式，这里不再一一阐述。

综上所述，要测试分析塔机的能效，要综合考虑塔机的结构特性、机械特性、电气控制特性和人为操作等多方面因素，且必须建立在固定测试程序和固定测试工况的基础上实施测量，进行综合分析。

（编辑 张磊庆）

Analysis of tower crane electric power consumption

LI Tao， LU Wei-tao， WANG Zhen-jie， ZHANG Lei-qing

TH213.3；TH212

B

1001-1366（2015）08-0056-03

2015-06-15