摘　要：本文從拖動系統的機械特性入手，分析了起重機械采用變頻調速技術其機械特性在四象限運行的工作特點，闡述了變頻調速實施其技術上必須采取的相應措施，展望了變頻調速技術的應用前景。 關鍵詞：變頻調速　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，其拖動系統的差異也較大，但基本特點則大同小異。為實現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、行走機構和回轉機構。起升機構是主要的功能機構，其正反轉工作變換比較頻繁，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運動轉變為吊鉤的垂直升降運動，實現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速度的不同要求，起升速度應能調節，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現，其工作中的主要有三種轉矩： 　　 （1）電動機的轉矩TM，即由電動機產生的轉矩是主動轉矩，其方向可正可負; 　　 （2）重力轉矩TG，即由重物及吊鉤等作用于卷筒的轉矩，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）摩擦轉矩T0，即由于減速機構的傳動比較大，減速機構的摩擦轉矩（包括其他損失轉矩）不可忽視。摩擦轉矩的特點是，其方向永遠與運動方向相反。 2變頻調速的基本原理與電動機的機械特性 2.1變頻調速的基本原理 　　 一般三相異步電動機調速方法有：（1）改變磁極對數p來改變電機轉速，所得到的轉速只能是3000、1500、1000…，為有級調速；（2）改變轉差率s調速，常用的方法是改變定子電壓調速和滑差電機調速，該方法轉子損耗較大，效率低；（3）改變定子電源頻率f1，其調速屬于改變同步轉速n1調速，由于沒有人為的改變s，轉子中不產生附加的轉差功率損耗，所以效率高。其是一種較為理想的調速方法，但變頻調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動信號的頻率控制逆變器輸出電壓的頻率f1，從而實現電動機工作速度的調節。 2.2電動機變頻調速的機械特性 　　 起重機械各部分的拖動系統，一般都需要調速，在變頻調速問世之前，已經發明了多種調速方法，獲得了廣泛的應用。例如：增大或改變轉子回路內電阻的調速、電磁調速電動機等等。比較常見的是采用繞線轉子異步電動機，調速方法是通過滑環和電刷在轉子回路內串入若干段電阻，由接觸器來控制接入電阻的多少，從而控制了轉速。 　　　　 式中，n——電動機的輸出轉速； n0 ——電動機理想空載轉速； k——比例系數； Ra——電樞電阻； Ri——回路內串電阻； T ——電樞電流切割磁力線所產生的電磁轉矩。 　　 由于回路內串電阻的存在，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。 　　 電動機采用變頻調速，一方面可以實現節能，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說明變頻調速對機械特性的影響情況。 　　 （1）重物起吊上升時，其旋轉方向與電樞電流產生的轉矩方向相同，即電動機受正向轉矩作用，其機械特性在第1象限，工作點為A點，轉速為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，其轉矩變為反方向的制動轉矩，使轉速短時下降，并重新進入第一象限，至B點時，又處于穩定運行狀態，B點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉速已降為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。此時電動機的轉矩和轉速都是負的，故機械特性曲線在第三象限，工作點為C點，轉速為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，其轉矩變為正方向，以阻止吊鉤下降，所以也是制動轉矩，使下降的速度減慢，并重新進入第三象限，至D點時，又處于穩定運行狀態，D點便是頻率降低后的新的工作點，這時，轉速為n4。 　　 （3）重載下降時，重物將因自身的重力而下降，電動機的旋轉方向是反轉（下降）的，但其轉矩的方向卻與旋轉方向相反，是正方向的，其機械特性工作點為E點，轉速為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，摩擦轉矩將阻礙重物下降，故重物在下降時構成的負載轉矩比上升時小。 2.3電動機變頻調速與原拖動系統調速的機械特性比較 　　 （1）重物上升時，兩種調速方式其機械特性都在第一象限，曲線①表示變頻調速時的機械特性，轉速為nl。曲線②表示通過轉子電路串入電阻來實現調速時的機械特性，即電壓調速。從兩條曲線可以看出，工作點由A點對應A’點，電動機的轉矩大為減小，拖動系統因帶不動負載而減速，直至到達B點時，電動機的轉矩重新和負載轉矩平衡，工作點轉移至B點，轉速為降n2，負載能力相對于變頻調速變化明顯。 　　 （2）輕載下降時兩種調速方式其工作特點與重物上升時相同，只是轉矩和轉速都是負的，機械特性在第三象限。 　　 （3）重載下降時，原拖動系統的電動機從接法上說，是正方向的，產生的轉矩也是正的。但由于在轉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，電動機產生的正轉矩比重力產生的轉矩小，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，轉速為n5。這種工作狀態的特點是：電動機的轉矩是正的、卻被重物“倒拉”著反轉。解決這種現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。 　　 與變頻調速方式相比較，在重載下降時，兩種調速方法的工作點都在第四象限，但電動機的工作狀態是不同的。 3采用變頻調速需要注意的問題 　　 （1）重物起吊時起動轉矩Ts較大，通常在額定轉矩 TN的150％以上。考慮到在實際工作中可能發生的電源電壓下降以及短時過載等因素，一般情況下，起動轉矩 Ts應按照額定轉矩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，負載轉矩的變化是十分激烈的，應引起注意。 　　 （3）起升裝置在調整纜繩松弛度時，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），而電動機轉矩的產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問題。如電動機已經通電，而制動器尚未松開，將導致電動機的嚴重過載；反之，如電動機已經斷電，而制動器尚未抱緊，則重物必將下滑，即出現溜鉤現象。 4起重機械變頻調速采取的措施 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矩和升降速轉矩的電動機電流。 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）零速全轉矩功能變頻器可以在速度為0的狀態下，電動機的轉矩也能達到額定轉矩的150％。這就保證了吊鉤由升、降速狀態降為零速時，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矩（可達額定轉矩的200％），維持重物在空中的停住狀態，以保證電磁制動器在釋放和抱住過程中不會溜鉤。 4.3變頻調速系統的控制 　　 起重機械拖動系統的控制動作包括：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結語 　　 異步電動機變頻調速的電源是一種能調壓的變頻裝置，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，變頻調速已經在許多領域內獲得廣泛應用。可以預見，隨著生產技術水平的不斷提高，變頻調速必將獲得更大的發展。