浅谈变频器在起重设备中的应用

张冰辉 谭晓乐 常艳珍

洛阳栾川钼业集团股份有限公司 河南洛阳 471500

1 变频器的概念

变频器是电能控制装置的一种，利用半导体器件的通断功能，能够对工频电源向其他频率电源进行转化。变频器通常由整流（交流变直流）、制动单元、逆变（直流变交流）、滤波、微处理、检测以及驱动等单元组合而成的[1]。其作用主要是将50 或60Hz 的工频电源转化为可控的、各频率的交流电源，以满足电机的变速运行的需求。

2 变频调速的原理

电动机分为同步电动机和异步电动机，它们的转速n 公式为：

n=60f（1-s）/p（同步电动机）

式中：F 为频率；P 为极对数；S 为转差率（0-3% 或0-6%）。

转速公式可说明，通过将三相交流电电频f 进行变化，电动机转速n 便也会发生变化，这要比变化转差率s 以及极对数P 要更加简单方便。变频器便通过此原理对电动机输入电源频率进行变动，从而实现电动机转速改变。

3 变频器的特点

（1）通过变频调速这种方法，能够简便的控制电机正反转。仅需将变频器内部的逆变管开关顺序进行变化，即可实现输出换向，从而降低换向不当烧坏电机的概率。

（2）变频调速系统大多从小频率低转速启动，启动时间和加减速时间可任意设置，因此加减速时间平缓，冲击电流小，进行较高频率的启动和停止是完全可行的。

（3）变频器在进行制动时，可以将这个过程产生的能量通过制动回路内的电阻消耗掉，也可用于回馈给供电电网，制动效果好、耗电少、温度低、节能好。

（4）良好的调速性能，可以获得低、中、高速恒转矩输出转速，由于起动、制动快、平稳，所以对传动部件的冲击也会减小，这对延长部件乃至整机的寿命具有重要意义。

（5）变频器本身具有过电流、过电压、过负荷欠电压、瞬时停电以及接地等保护作用，可以准确有效的监控负载的各项运行参数是否正常，从而降低负载故障率。

（6）变频器可实现远程数字化控制和智能化控制，使工艺生产水平和产品质量大幅提高和改善。

4 变频器的主电路

主电路包含滤波、整流、逆变、限流以及制动电路等。

整流电路：主要是将三相交流电向脉动直流电整流。

滤波电路：主要是将脉动直流电采用滤波元件进行滤除，使平稳直流电得以保留。

限流电路：限制交流电源接入时的充电电流，从而保护整流元件。

制动电路：变频器电动机负载在进行制动的过程中，通常会形成较多的再生能量，可将这些再生能量储存到电力电容器之中，并将其向电网回馈。如果再生能量比较大的情况下，可通过直流回路之中设置的制动电阻来将此能量进行吸收.

逆变电路：它通过逆变器元件的定期关断和开通，从而获得任何频率三相交流电的输出。

5 起重设备现况及发展趋势

社会的发展让工业生产规模的不断扩大的同时也让生产效率进一步提高，引起物料搬运和装卸成本的费用越来越高，起重量也不断增加，运用速度也在逐渐增速，这便对其可靠性以及能耗提出了更高、更严格的要求。在自动化生产中，起重机所发挥的作用已不可替代因此，对起重机的要求不仅要在操作方面实现简单化，减少故障、便于维修，而且还需要在安全性及可靠性方面得以保障，，在具有优良的耐久性的同时，其使用经济。电气控制传动的优化是起重机实现发展和技术更新的重点因素。

图1 变频器原理图

新一代的起重机集大型、高效等特点于一身，起重机的电气控制装置已经发生了重大演变，当前使用的全电子数字控制系统便是其演变结果。此系统主要是由可编程控制器、全数字控制驱动器、数字化操纵监测装置、故障诊断系统以及数据管理系统构成，当前诸如三维条码技术、感应防碰技术、故障自诊监控技术等均已得到推广应用。电气传动装置主要是以微处理机为核心，在传统起重机的应用过程中，具有静动特性差、调速慢等缺陷，而通过此装置能够使这些缺陷得到改善，并且还具备可操作的自动记录、控制和显示的功能，起重机在运行过程中，还能够实现自动检测与保护，在远距离的条件下，还具备遥控等功能，能够对自动化实践生产过程中的需求进行全面满足。作为工业自动化不可缺少的一部分，变频器在升降设备的应用中可以发挥更重要的作用。

起重设备的电气控制和驱动系统改变了以往的串联电阻调速、电接触器控制以及直流调速三个系统，经过发展，现已成为直流晶闸管调速装置以及交流定子调压装置。除此之外，在高速重载降低的情况下，一般以拖拽和第三方制动来确保重载不会发生溜钩问题，此制动方式一般包含涡流、能耗、单相以及低频发电机电机制动等。从能量利用角度来看，上述方式均需耗费较多能量来实现降能和制动；从电动机保护角度来看，单相以及能耗两种制动方式需要将不平衡电流和直流电流注入到电动机中，在对其频繁使用时，一般会造成电动机升温，并使电动机绝缘层出现的损坏加快，还会导致电动机老化速度加快；因制动冲击力产生的作用，会造成振动更加严重，机械疲劳程度增加。

二十世纪八十年代后，工业的发展在变频器领域掀起了巨大的变革，变频器也进入起重机设备驱动领域，引起了人们的注意，引发业内的高度重视。它克服了以往驱动系统普遍存在的缺点，可靠性明显提高，节能效果显著，在粉尘或振动较大的恶略环境中也能良好的适应，所以在起重机上可应用异步电动机变频调速系统。

6 采用变频器的必要性

（1）就起重机自身而言，现有的绕线式异步电动机调速方案大多基于转子的串联电阻有级调速，但目前所存在的问题是起动电流过大，设备受到严重冲击，导致机械部件因发热而损坏，缩短了正常使用周期[2]。

（2）起重机通常选择使用直流调压调速方案，虽然具有平滑无级调速及软起动的特性，但由于此方案存在后期大量的维护工作、电动机自身成本费用较高、占地面积过大等缺陷，在具体应用过程中，比不上经久耐用的交流电动机。

（3）变频器在节能上具有明显的效果。

（4）变频器联合PLC 控制能够使自诊断功能和保护功能更为完善，也提高系统的可靠性和稳定性。

7 变频器应用实例

7.1 桥式起重机的变频调速改造

桥式起重机是一种广泛应用于工矿企业的起重机械，某工厂原有的架修库32T 桥式起重机拖动系统使用绕线式异步电动机，通过继电器- 接触器以及凸轮控制器来对串电组数量进行控制来实现有级调速，该控制系统是通过能耗的方式来实现转差调速的，但也存在如下问题：

（1）能量消耗大，机械效率低，速度调节局限。

（2）继电器- 接触器控制系统若在切换使用方面比较频繁，会导致冲击电流过大的现象发生，从而会造成接触器的触头发生磨损，还可能造成电刷冒火、转子和发电机串联电阻断裂烧损等严重故障[3]。

（3）调速平滑性差会造成机械冲击发生，从而导致联轴器、减速机以及钢丝绳等构件降低使用寿命。

（4）系统抱闸会使制动器磨损情况加重。

为了促进以上问题得到合理解决，应该将32t 桥式起重机的吊钩提升系统以及大小车拖动系统实施变频改造，从而提升其操作性能，设备运转时故障率更低。

7.2 变频政造方案如下

使用到的设备：主要通过电气传动系统来完成，具体包括：大车电动机2 台、32T 大钩提升电动机1 台、小车电动机1 台、5t小钩提升电动机1 台。

改造思路：负载电动机采用4 台变频器驱动，实现重载起动、无级调速。桥式起重机变频改造主电路原理如图6-62 所示。除原电机和凸轮控制器之外，在进行改造的过程中，各继电器、控制柜以及接触器均被取消，其中，变频器为芬兰VACON 变频器，该变频器专门用于起重。

电动机抱闸制动主要是在变频器直流回路之中将制动电阻接入的方式来实现的，可将运动状态下的小车、大车以及吊钩的速度降低到0。由于吊钩悬挂的物体一般会在空中滞留，变频器即便可将物体实现停止，但是也会非常容易受外界因素干扰，所以一定要通过电磁制动器来实现同步机械制动。

控制的要点包括以下两点：①吊钩电机停止方面所需掌握的控制要点：需要对电机停止频率值进行设置，并且还需要保证维持时间应该比制动电磁铁抱闸时间大，当变频器频率降低至设定值的情况下，变频器会将断电信号输出，在这种情况下，所设置的频率值应该持续一定时间. 然后变频器的工作频率会降低到0；②起吊物升降应掌握的控制要点：需要对检测电流时间以及升降起始频率值进行设定，当变频器能够达到升降起始频率的情况下，变频器便开始对电流进行检测，同时还会确认电流大小是否合适，从而形成扭矩来对下降扭矩进行抵消，然后开始对制动电磁铁进行充电，同时会将制动器松开。检测电流所用时间应该比电磁铁释放时间要长[4]。

图2 桥式起重机变频改造主电路原理

7.3 改造后主要效果如下

（1）起动和制动过程以及在人为加速、减速的干预和控制下，桥式起重机具备更平稳，定位更准确的特点，同时最大限度的减少了负载波动，安全性得以整体大幅提高。

（2）电动机的运行开关装置属于非接触式器件，它有着接触式开关不具备的半永久性寿命的特点。

（3）改造后的电动机的起动电流小，即使电动机多次起动和停止，也不会引起电动机热耗增多，从而延长了电动机的使用寿命。

（4）抱闸低速动作情况下，损耗率很小，保养的难题有效解决。

通过实践可以证明，通过变频器对桥式起重机运行进行控制具有一定的可行性，并且还能够使运行可靠性得到提升。

8 结语

伴随变频器持续更新，并在工业生产的各个领域中推广应用，起重设备在其自动控制方面更离不开变频器的应用，各类专用变频器及通用变频器也在向轻型化和智能化发展，起重设备的远程操控及集中化控制更离不开变频器的发展和广泛应用。