塔式起重机电动机调速技术研究

摘  要：起重机是生产中不可缺少的起重运输机械，得到了广泛的应用，良好的调速性能是做到起动的平稳、变速迅速、运行稳定可靠的关键。本文就传统起重机调速技术、调节参数、变频调速系统等方面对塔式起重机电动机调速进行了探讨。

关键词：起重机;调节参数;变频调速;

0.引言

电机是塔式起重机的众多部件中十分重要的部件，电气性能和可靠性又是塔机性能的重要组成部分。起重机电气传动的众多要求中，调速是最为重要的，良好的调速性可以使得起动及制动较为平稳、停车准确、运行稳定可靠、变速迅速。

1.传统起重机调速技术

（1）转子串电阻调速：将附加电阻串入绕线式异步电动机的转子中，增大电动机的转差率，从而可保证电动机转速较低。一般，电动机的转速与串入的电阻大小成反比，串入电阻越大，电动机转速越小。这种方法虽然设备简单，控制方便，但不可避免也有其不足之处。由于转差功率以发热的形式消耗在电阻上，机械特性较软，属有级调速。

（2）定子调压调速：控制速度可通过改变定子电压来改变电动机的转矩，一般来说，电机转矩与定子电压的平方成正比。这种方法具有简单和调速平滑的优点，并且，在采用闭环控制时还能达到理想的精度。不足之处为其具有较窄的调速范，电动机转子在工作过程中具有较大的损耗。

（3）串级调速：将可调节的附加电势串入绕线式电动机的转子回路中，用来改变电动机的转差，这种调速的方法成为串级调速。该方法操作起来较为简单方便，且它是不平滑的有级调速，功率因数较低，调速效率较高。不足之处是电气制动不够理想。

在传统起重机的调速方式中，往往存在如下问题：

①调速系统的调速效率较低，具有较差的综合性能指标。

②绕线转子异步电动机中存在较易引起故障的集电环和电刷，因而要定期对其进行维护。

③由于现场需要使用大量的继电器以及接触器，致使需要较大的维护量，并且调速系统的故障率较高。

2.调节电机转速的参数

为保持调速过程中平缓无冲击，提高作业效率以及保证工作安全，要求塔机的工作机构具有适当的调速性能，如起升的机构不仅需要重载慢就位的速度，同时也要有轻载快的速度。通过下列三种参数的调节，可以达到调节异步电机转速的目的。

（1）改变定子绕组的极对数

改变定子绕组的极对数进而调节速度的方法属于有级调速。它通常是通过改变定子绕组联结法，从而使得对数成倍地变化，这样，也就能成倍地改变同步转速，达到调速的目的。

（2）改变供电电源的频率

在转差率变化不大的情况下，电机转速与电源频率成正比，故可通过改变电源频率来调节电机的转速，一般采用可控硅变频装置。这种方法为无级调速，可以适应不同的载荷，尤其是在低速时具有较高的特性静差率。并且，它可以在较大的范围内进行调速，具有足够硬度的机械特性和良好的调速平滑性。因其具有以上的优点而成为塔机最理想的调速方式。

（3）改变电机的转差率

能耗转差调速方法是通过改变电机的转差率来改变电机的转速，可分为改变定子电压调速、转子电路串联电阻调速、电磁调速异步电机（又称为滑差电机）、脉冲调速及串级调速等。当前，电磁调速和转子电路串联是两种常见的应用于塔机上的方法。晶闸管串级调速因其性能优异，在中等以上功率的绕线转子异步电机中最具有发展前途。

3.变频调速系统主要特点

（1）明显改善结构受力状态。变频器的软启动、软停止的功能使起重机具有相对平稳的启动以及制动，明显减小了起重机传动机构和钢结构的冲击力。根据经验我们可以得出，变频调速控制系统在改善起重机结构的受力状态上面效果显著。

（2）变频调速系统具有较宽的调速范围以及优良的性能。适用于起重机的变频器对环境的适应能力较强，变频器内部可进行模块化设计，具有可靠性强以及集成度高的优点。同时，由于系统实现闭环控制，因而具有优良的伺服响应特性，能很好适应急速的负载波动，并且在限速、防失速以及力矩控制能力方面均较强。操作者可通过选择操作电位器来实现无级调速，也可根据作业要求，随时修改各挡速度值。

4.变频调速技术及控制系统原理设计

（1）通过改变电动机定子电源的频率从而达到改变其同步转速的调速即为变频调速原理。变频电源的变频器是变频调速系统的主要设备，而交流—交流变频器和交流—直流—交流变频器是变频器的两大类。变频调速是目前应用的主流，它的运行特性优良，例如具有较宽的调速范围、高精度以及显著的节能效果;在低速运行时，它能实现稳定的运行。同时，它能准确的定位，平稳的启、制动过程，且在应对较大的负载波动时，无明显的速度变化。变频调速系统将朝着智能化、高可靠性的方向发展。

（2）采用PLC和变频器调节交流异步电机转速的方法对各类起重机变频调速控制系统进行设计，经由PLC高速计数模块反馈回来的实际速度减去给定的速度產生速度误差，控制量经由PLC运算即可得到，为驱动交流电机，达到调节电机转速的目的，须由RS-485接口输出到变频器。采用D/A进行转换而非RS-485进行数字通信对PLC与变频器之间进行转换，使系统的抗干扰能力大幅度提高。

5.变频调速对起重机整体的影响

（1）变频调速对起重机特性的影响。起重机不仅在不同的循环中具有不同的载荷，且在同样的物件中也具有随机变化的载荷，这使得起重机的实际载荷具有多变性。这种变化与加减速度、离地时的情况、风阻力、制动时间等因素有关。

①变频调速为无级调速，使得载荷的离地速度发生改变，完成了零速起升的要求并且很好的降低了动应力系数。同时，它使电制动形式增多，在降低机械制动冲击力上效果显著。

②应用变频器可有效节省控制柜空间，一套变频器可应用于不同时工作的多台机器，节省了大量输电线及一次性投资;同时，变频器的遥控器操作或PLC总线控制具有较大的优势。

③低启动电流、高功率因数。在满载运行时，变频调速电机的功率因数高达0.9以上;下降过程中，不向电网反馈能量以及不从电网提取能量，从而很好的节约了能源及一次性的投资。

（2）变频调速对结构件的影响。变频调速减少了附加动应力载荷，这是由附加加速度引起的，同样，它也减少了由载荷离地瞬间对起重机的动态冲击值，并且使载荷离地时的速度及瞬间产生的附加加速度减小。变频调速可以通过降低起升动载荷系数值，达到降低起重机的自重及动载载荷的作用。

（3）降低电机启动力矩。不同类型电机的启动转矩M有着不同的规定，根据欧洲机械搬运协会标准（FEM），鼠笼电机如果采用直接启动的方式，可进一步降低动载荷对机械结构及传动部件的强度要求。

6.结束语

塔机电机的调速在随着调速技术的日渐完善下，将走向性能更好、更经济的道路，其应用前景更为广泛，例如晶闸管交流调压调速、变频调速等。

参考文献

[1]邵国涛. 起重机变频调速技术研究[D].哈尔滨工业大学，2013.

[2]张剑波. 塔式起重机起升机构变频控制系统研究[D].西安科技大学，2014.

[3]马锦章. 塔式起重机提升机构采用涡流制动器调速的有关问题研究[J]. 建筑施工，2013，06：52-53+65.

[4]三好保马，谈福生. 起重机电动机调速装置IM-PACK[J]. 水利电力施工机械，2013，04：45-47.