摘　要：本文從拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性入手，分析了起重機(jī)械采用變頻調(diào)速技術(shù)其機(jī)械特性在四象限運(yùn)行的工作特點(diǎn)，闡述了變頻調(diào)速實(shí)施其技術(shù)上必須采取的相應(yīng)措施，展望了變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用前景。 關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速　起升機(jī)構(gòu)　起重機(jī)械 1起重機(jī)械的組成及負(fù)載特點(diǎn) 　　 起重機(jī)械的種類很多，其拖動(dòng)系統(tǒng)的差異也較大，但基本特點(diǎn)則大同小異。為實(shí)現(xiàn)起重機(jī)不同運(yùn)動(dòng)要求，最基本的工作機(jī)構(gòu)有以下四種：即起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)是主要的功能機(jī)構(gòu)，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(shí)各類機(jī)構(gòu)都屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。 　　 起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、卷筒等部分組成。其作用可將原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈蹉^的垂直升降運(yùn)動(dòng)，實(shí)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(shí)，是電動(dòng)機(jī)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(fù)載；重物下降時(shí)，由于重物本身具有按重力加速度下降的能力（位能），因此，當(dāng)重物的重力大于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，電動(dòng)機(jī)成為了能量的接受者，故屬于動(dòng)力負(fù)載。但當(dāng)重物的重力小于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的摩擦阻力時(shí)，重物仍須由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)下降，仍屬于阻力負(fù)載。 　　 為使重物在空中停止在某一位置，在起升機(jī)構(gòu)中還必須設(shè)置制動(dòng)器和停止器等控制部件。為了適應(yīng)不同吊重對(duì)作業(yè)速度的不同要求，起升速度應(yīng)能調(diào)節(jié)，并具有良好的微動(dòng)控制性能。微動(dòng)速度一般在0.25～0.4m/min范圍。 　　 通過(guò)對(duì)起升機(jī)構(gòu)分析不難發(fā)現(xiàn)，其工作中的主要有三種轉(zhuǎn)矩： 　　 （1）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩TM，即由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是主動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其方向可正可負(fù); 　　 （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(fù)合重量G與卷筒半徑r的乘積： 　　　　　　 TG的方向永遠(yuǎn)是向下的。 　　 （3）摩擦轉(zhuǎn)矩T0，即由于減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較大，減速機(jī)構(gòu)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(diǎn)是，其方向永遠(yuǎn)與運(yùn)動(dòng)方向相反。 2變頻調(diào)速的基本原理與電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 2.1變頻調(diào)速的基本原理 　　 一般三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法有：（1）改變磁極對(duì)數(shù)p來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，所得到的轉(zhuǎn)速只能是3000、1500、1000…，為有級(jí)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(jī)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(fù)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(shí)際上是在控制電路上采用晶閘管，通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)交流電周期的改變。導(dǎo)通時(shí)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(dòng)信號(hào)的頻率控制逆變器輸出電壓的頻率f1，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)工作速度的調(diào)節(jié)。 2.2電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的機(jī)械特性 　　 起重機(jī)械各部分的拖動(dòng)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(yīng)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(dòng)機(jī)等等。比較常見的是采用繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，調(diào)速方法是通過(guò)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(lái)控制接入電阻的多少，從而控制了轉(zhuǎn)速。 　　　　 式中，n——電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速； n0 ——電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變軟，輸出速度降低；而機(jī)械特性越軟，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力越差。 　　 電動(dòng)機(jī)采用變頻調(diào)速，一方面可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，另一方面可以保持較硬的機(jī)械特性，負(fù)載能力較好。下面就起升過(guò)程中的電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)說(shuō)明變頻調(diào)速對(duì)機(jī)械特性的影響情況。 　　 （1）重物起吊上升時(shí)，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(dòng)機(jī)受正向轉(zhuǎn)矩作用，其機(jī)械特性在第1象限，工作點(diǎn)為A點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為n1； 　　 當(dāng)通過(guò)降低頻率而減速時(shí)，在頻率剛下降的瞬間，機(jī)械特性已經(jīng)切換至曲線②了，工作點(diǎn)由A點(diǎn)跳變至A’點(diǎn)，進(jìn)入第二象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)榉捶较虻闹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速短時(shí)下降，并重新進(jìn)入第一象限，至B點(diǎn)時(shí)，又處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，B點(diǎn)便是頻率降低后的新的工作點(diǎn)，這時(shí)，轉(zhuǎn)速已降為n2。 　　 （2）空鉤（包括輕載）下降時(shí)，吊鉤自身是不能下降的，必須由電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負(fù)的，故機(jī)械特性曲線在第三象限，工作點(diǎn)為C點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為n3； 當(dāng)通過(guò)降低頻率而減速時(shí)，在頻率剛下降的瞬間，機(jī)械特性已經(jīng)切換至曲線④、工作點(diǎn)由C點(diǎn)跳變至C’點(diǎn)，進(jìn)入第四象限，其轉(zhuǎn)矩變?yōu)檎较?，以阻止吊鉤下降，所以也是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使下降的速度減慢，并重新進(jìn)入第三象限，至D點(diǎn)時(shí)，又處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，D點(diǎn)便是頻率降低后的新的工作點(diǎn)，這時(shí)，轉(zhuǎn)速為n4。 　　 （3）重載下降時(shí)，重物將因自身的重力而下降，電動(dòng)機(jī)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(jī)械特性工作點(diǎn)為E點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為n5。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)的作用是防止重物由于重力加速度的原因而不斷加速、達(dá)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(shí)構(gòu)成的負(fù)載轉(zhuǎn)矩比上升時(shí)小。 2.3電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速與原拖動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速的機(jī)械特性比較 　　 （1）重物上升時(shí)，兩種調(diào)速方式其機(jī)械特性都在第一象限，曲線①表示變頻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速為nl。曲線②表示通過(guò)轉(zhuǎn)子電路串入電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性，即電壓調(diào)速。從兩條曲線可以看出，工作點(diǎn)由A點(diǎn)對(duì)應(yīng)A’點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩大為減小，拖動(dòng)系統(tǒng)因帶不動(dòng)負(fù)載而減速，直至到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩重新和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡，工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移至B點(diǎn)，轉(zhuǎn)速為降n2，負(fù)載能力相對(duì)于變頻調(diào)速變化明顯。 　　 （2）輕載下降時(shí)兩種調(diào)速方式其工作特點(diǎn)與重物上升時(shí)相同，只是轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都是負(fù)的，機(jī)械特性在第三象限。 　　 （3）重載下降時(shí)，原拖動(dòng)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)從接法上說(shuō)，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(jī)械特性傾斜至如曲線⑤所示。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)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(dòng)重物上升，反而由于重物的拖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向是負(fù)的，其工作點(diǎn)在機(jī)械特性向第四象限的延伸線上，如圖中E點(diǎn)所示，這時(shí)，轉(zhuǎn)速為n5。這種工作狀態(tài)的特點(diǎn)是：電動(dòng)機(jī)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(wú)形便增加了設(shè)備成本。 　　 與變頻調(diào)速方式相比較，在重載下降時(shí)，兩種調(diào)速方法的工作點(diǎn)都在第四象限，但電動(dòng)機(jī)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(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts較大，通常在額定轉(zhuǎn)矩 TN的150％以上?？紤]到在實(shí)際工作中可能發(fā)生的電源電壓下降以及短時(shí)過(guò)載等因素，一般情況下，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Ts應(yīng)按照額定轉(zhuǎn)矩TN的150％～180％來(lái)進(jìn)行選擇： 　　　　　 　　 （2）起升機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中，在重物剛離開泊位上升的瞬間以及在重物剛到達(dá)新泊位下降的瞬間，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的變化是十分激烈的，應(yīng)引起注意。 　　 （3）起升裝置在調(diào)整纜繩松弛度時(shí)，以及移動(dòng)裝置在進(jìn)行定位控制時(shí)，都需要點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行，應(yīng)充分注意點(diǎn)動(dòng)時(shí)的工作特性。 　　 （4）在重物開始升降或停止時(shí)，要求制動(dòng)器和電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作之間，必須緊密配合。由于制動(dòng)器從抱緊到松開，以及從松開到抱緊的動(dòng)作過(guò)程需要一定的時(shí)間（約6s），而電動(dòng)機(jī)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(dòng)作的配合上極易出現(xiàn)問題。如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)通電，而制動(dòng)器尚未松開，將導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的嚴(yán)重過(guò)載；反之，如電動(dòng)機(jī)已經(jīng)斷電，而制動(dòng)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(jī)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(jī)械中，因?yàn)樯?、降速時(shí)的電流較大，應(yīng)求出對(duì)應(yīng)于最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和升降速轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)電流。 4.2溜鉤的預(yù)防措施 　　 起升機(jī)構(gòu)中，由于重物具有重力的原因，如沒有專門的制動(dòng)裝置，重物在空中是停不住的。為此，電動(dòng)機(jī)軸上必須加裝制動(dòng)器，常用的有電磁鐵制動(dòng)器和液壓電磁制動(dòng)器等。多數(shù)制動(dòng)器都采用常閉式的，即：線圈斷電時(shí)制動(dòng)器依靠彈簧的力量將軸抱住，線圈通電時(shí)松開。 　　 為了有效地防止溜鉤，某些新型變頻器設(shè)置了一些獨(dú)特的制動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也能達(dá)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(shí)，電動(dòng)機(jī)能夠使重物在空中暫時(shí)停住，直到電磁制動(dòng)器將軸抱住為止，從而防止了溜鉤。 　　 （2）直流強(qiáng)勵(lì)磁功能變頻器可以在起動(dòng)之前和停止時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)直流勵(lì)磁。使電動(dòng)機(jī)有足夠大的轉(zhuǎn)矩（可達(dá)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(dòng)器在釋放和抱住過(guò)程中不會(huì)溜鉤。 4.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制 　　 起重機(jī)械拖動(dòng)系統(tǒng)的控制動(dòng)作包括：吊鉤的升降及速度檔次、變幅功能等，都可以通過(guò)可編程序控制器（PLC）進(jìn)行無(wú)觸點(diǎn)控制。 5結(jié)語(yǔ) 　　 異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的電源是一種能調(diào)壓的變頻裝置，應(yīng)用時(shí)常采用由晶閘管元件或自關(guān)斷的功率晶體管器件組成的變頻器。除起重機(jī)械外，變頻調(diào)速已經(jīng)在許多領(lǐng)域內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，變頻調(diào)速必將獲得更大的發(fā)展。