摘　要：本文從拖動系統(tǒng)的機械特性入手，分析了起重機械采用變頻調(diào)速技術其機械特性在四象限運行的工作特點，闡述了變頻調(diào)速實施其技術上必須采取的相應措施，展望了變頻調(diào)速技術的應用前景。 關鍵詞：變頻調(diào)速　起升機構　起重機械 1起重機械的組成及負載特點 　　 起重機械的種類很多，其拖動系統(tǒng)的差異也較大，但基本特點則大同小異。為實現(xiàn)起重機不同運動要求，最基本的工作機構有以下四種：即起升機構、變幅機構、行走機構和回轉(zhuǎn)機構。起升機構是主要的功能機構，其正反轉(zhuǎn)工作變換比較頻繁，而且每次的起吊重量差別比較大，但工作時各類機構都屬于恒轉(zhuǎn)矩負載。 　　 起重機械的起升機構主要由電動機、減速器、卷筒等部分組成。其作用可將原動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)榈蹉^的垂直升降運動，實現(xiàn)吊具垂直升降的目的功能不可缺少的部分。 　　 由于重物在空中具有位能，重物上升時，是電動機克服各種阻力（包括重物的重力、摩擦阻力等）而做功，屬于阻力負載；重物下降時，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，當重物的重力大于傳動機構的摩擦阻力時，電動機成為了能量的接受者，故屬于動力負載。但當重物的重力小于傳動機構的摩擦阻力時，重物仍須由電動機拖動下降，仍屬于阻力負載。 　　 為使重物在空中停止在某一位置，在起升機構中還必須設置制動器和停止器等控制部件。為了適應不同吊重對作業(yè)速度的不同要求，起升速度應能調(diào)節(jié)，并具有良好的微動控制性能。微動速度一般在0.25～0.4m/min范圍。 　　 通過對起升機構分析不難發(fā)現(xiàn)，其工作中的主要有三種轉(zhuǎn)矩： 　　 （1）電動機的轉(zhuǎn)矩TM，即由電動機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是主動轉(zhuǎn)矩，其方向可正可負; 　　 （2）重力轉(zhuǎn)矩TG，即由重物及吊鉤等作用于卷筒的轉(zhuǎn)矩，其大小等于重物及吊鉤等的復合重量G與卷筒半徑r的乘積： 　　　　　　 TG的方向永遠是向下的。 　　 （3）摩擦轉(zhuǎn)矩T0，即由于減速機構的傳動比較大，減速機構的摩擦轉(zhuǎn)矩（包括其他損失轉(zhuǎn)矩）不可忽視。摩擦轉(zhuǎn)矩的特點是，其方向永遠與運動方向相反。 2變頻調(diào)速的基本原理與電動機的機械特性 2.1變頻調(diào)速的基本原理 　　 一般三相異步電動機調(diào)速方法有：（1）改變磁極對數(shù)p來改變電機轉(zhuǎn)速，所得到的轉(zhuǎn)速只能是3000、1500、1000…，為有級調(diào)速；（2）改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速，常用的方法是改變定子電壓調(diào)速和滑差電機調(diào)速，該方法轉(zhuǎn)子損耗較大，效率低；（3）改變定子電源頻率f1，其調(diào)速屬于改變同步轉(zhuǎn)速n1調(diào)速，由于沒有人為的改變s，轉(zhuǎn)子中不產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)差功率損耗，所以效率高。其是一種較為理想的調(diào)速方法，但變頻調(diào)速需要較復雜的控制電路組成。 由于交流電的頻率，T為交流電的周期。變頻調(diào)速就是改變逆變器輸出交流電壓的周期，就可以改變交流電壓的頻率f。所謂改變周期，實際上是在控制電路上采用晶閘管，通過改變晶閘管的導通時間，實現(xiàn)交流電周期的改變。導通時間越短，輸出交流電壓周期越短，頻率越高。即從控制上，用改變晶閘管門極驅(qū)動信號的頻率控制逆變器輸出電壓的頻率f1，從而實現(xiàn)電動機工作速度的調(diào)節(jié)。 2.2電動機變頻調(diào)速的機械特性 　　 起重機械各部分的拖動系統(tǒng)，一般都需要調(diào)速，在變頻調(diào)速問世之前，已經(jīng)發(fā)明了多種調(diào)速方法，獲得了廣泛的應用。例如：增大或改變轉(zhuǎn)子回路內(nèi)電阻的調(diào)速、電磁調(diào)速電動機等等。比較常見的是采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動機，調(diào)速方法是通過滑環(huán)和電刷在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入若干段電阻，由接觸器來控制接入電阻的多少，從而控制了轉(zhuǎn)速。 　　　　 式中，n——電動機的輸出轉(zhuǎn)速； n0 ——電動機理想空載轉(zhuǎn)速； k——比例系數(shù)； Ra——電樞電阻； Ri——回路內(nèi)串電阻； T ——電樞電流切割磁力線所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。 　　 由于回路內(nèi)串電阻的存在，其電動機的機械特性變軟，輸出速度降低；而機械特性越軟，電動機的負載能力越差。 　　 電動機采用變頻調(diào)速，一方面可以實現(xiàn)節(jié)能，另一方面可以保持較硬的機械特性，負載能力較好。下面就起升過程中的電動機工作狀態(tài)說明變頻調(diào)速對機械特性的影響情況。 　　 （1）重物起吊上升時，其旋轉(zhuǎn)方向與電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩方向相同，即電動機受正向轉(zhuǎn)矩作用，其機械特性在第1象限，工作點為A點，轉(zhuǎn)速為n1； 　　 當通過降低頻率而減速時，在頻率剛下降的瞬間，機械特性已經(jīng)切換至曲線②了，工作點由A點跳變至A’點，進入第二象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)榉捶较虻闹苿愚D(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速短時下降，并重新進入第一象限，至B點時，又處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，B點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉(zhuǎn)速已降為n2。 　　 （2）空鉤（包括輕載）下降時，吊鉤自身是不能下降的，必須由電動機反向運行來實現(xiàn)。此時電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負的，故機械特性曲線在第三象限，工作點為C點，轉(zhuǎn)速為n3； 當通過降低頻率而減速時，在頻率剛下降的瞬間，機械特性已經(jīng)切換至曲線④、工作點由C點跳變至C’點，進入第四象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)檎较颍宰柚沟蹉^下降，所以也是制動轉(zhuǎn)矩，使下降的速度減慢，并重新進入第三象限，至D點時，又處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，D點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉(zhuǎn)速為n4。 　　 （3）重載下降時，重物將因自身的重力而下降，電動機的旋轉(zhuǎn)方向是反轉(zhuǎn)（下降）的，但其轉(zhuǎn)矩的方向卻與旋轉(zhuǎn)方向相反，是正方向的，其機械特性工作點為E點，轉(zhuǎn)速為n5。這時，電動機的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不斷加速、達到使重物勻速下降的目的。在這種情況下，摩擦轉(zhuǎn)矩將阻礙重物下降，故重物在下降時構成的負載轉(zhuǎn)矩比上升時小。 2.3電動機變頻調(diào)速與原拖動系統(tǒng)調(diào)速的機械特性比較 　　 （1）重物上升時，兩種調(diào)速方式其機械特性都在第一象限，曲線①表示變頻調(diào)速時的機械特性，轉(zhuǎn)速為nl。曲線②表示通過轉(zhuǎn)子電路串入電阻來實現(xiàn)調(diào)速時的機械特性，即電壓調(diào)速。從兩條曲線可以看出，工作點由A點對應A’點，電動機的轉(zhuǎn)矩大為減小，拖動系統(tǒng)因帶不動負載而減速，直至到達B點時，電動機的轉(zhuǎn)矩重新和負載轉(zhuǎn)矩平衡，工作點轉(zhuǎn)移至B點，轉(zhuǎn)速為降n2，負載能力相對于變頻調(diào)速變化明顯。 　　 （2）輕載下降時兩種調(diào)速方式其工作特點與重物上升時相同，只是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負的，機械特性在第三象限。 　　 （3）重載下降時，原拖動系統(tǒng)的電動機從接法上說，是正方向的，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩也是正的。但由于在轉(zhuǎn)子電路中串入了大量電阻，使機械特性傾斜至如曲線⑤所示。這時，電動機產(chǎn)生的正轉(zhuǎn)矩比重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小，非但不能帶動重物上升，反而由于重物的拖動，電動機的實際旋轉(zhuǎn)方向是負的，其工作點在機械特性向第四象限的延伸線上，如圖中E點所示，這時，轉(zhuǎn)速為n5。這種工作狀態(tài)的特點是：電動機的轉(zhuǎn)矩是正的、卻被重物“倒拉”著反轉(zhuǎn)。解決這種現(xiàn)象的途徑只能是選擇較大的功率，這無形便增加了設備成本。 　　 與變頻調(diào)速方式相比較，在重載下降時，兩種調(diào)速方法的工作點都在第四象限，但電動機的工作狀態(tài)是不同的。 3采用變頻調(diào)速需要注意的問題 　　 （1）重物起吊時起動轉(zhuǎn)矩Ts較大，通常在額定轉(zhuǎn)矩 TN的150％以上?？紤]到在實際工作中可能發(fā)生的電源電壓下降以及短時過載等因素，一般情況下，起動轉(zhuǎn)矩 Ts應按照額定轉(zhuǎn)矩TN的150％～180％來進行選擇： 　　　　　 　　 （2）起升機構工作過程中，在重物剛離開泊位上升的瞬間以及在重物剛到達新泊位下降的瞬間，負載轉(zhuǎn)矩的變化是十分激烈的，應引起注意。 　　 （3）起升裝置在調(diào)整纜繩松弛度時，以及移動裝置在進行定位控制時，都需要點動運行，應充分注意點動時的工作特性。 　　 （4）在重物開始升降或停止時，要求制動器和電動機的動作之間，必須緊密配合。由于制動器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動作過程需要一定的時間（約6s），而電動機轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生或消失是在通電或斷電瞬間就立刻反映的。因此，兩者在動作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動機已經(jīng)通電，而制動器尚未松開，將導致電動機的嚴重過載；反之，如電動機已經(jīng)斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現(xiàn)溜鉤現(xiàn)象。 4起重機械變頻調(diào)速采取的措施 4.1選擇合適的變頻器容量 　　 在起重機械中，因為升、降速時的電流較大，應求出對應于最大起動轉(zhuǎn)矩和升降速轉(zhuǎn)矩的電動機電流。 4.2溜鉤的預防措施 　　 起升機構中，由于重物具有重力的原因，如沒有專門的制動裝置，重物在空中是停不住的。為此，電動機軸上必須加裝制動器，常用的有電磁鐵制動器和液壓電磁制動器等。多數(shù)制動器都采用常閉式的，即：線圈斷電時制動器依靠彈簧的力量將軸抱住，線圈通電時松開。 　　 為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設置了一些獨特的制動功能，如： 　　 （1）零速全轉(zhuǎn)矩功能變頻器可以在速度為0的狀態(tài)下，電動機的轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的150％。這就保證了吊鉤由升、降速狀態(tài)降為零速時，電動機能夠使重物在空中暫時停住，直到電磁制動器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。 　　 （2）直流強勵磁功能變頻器可以在起動之前和停止時，自動進行強直流勵磁。使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩（可達額定轉(zhuǎn)矩的200％），維持重物在空中的停住狀態(tài)，以保證電磁制動器在釋放和抱住過程中不會溜鉤。 4.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制 　　 起重機械拖動系統(tǒng)的控制動作包括：吊鉤的升降及速度檔次、變幅功能等，都可以通過可編程序控制器（PLC）進行無觸點控制。 5結(jié)語 　　 異步電動機變頻調(diào)速的電源是一種能調(diào)壓的變頻裝置，應用時常采用由晶閘管元件或自關斷的功率晶體管器件組成的變頻器。除起重機械外，變頻調(diào)速已經(jīng)在許多領域內(nèi)獲得廣泛應用。可以預見，隨著生產(chǎn)技術水平的不斷提高，變頻調(diào)速必將獲得更大的發(fā)展。