李昌杰 劉愛國 席慧敏

（河南省特種設(shè)備安全檢測研究院，河南 鄭州 450004）

起重機械是一種危險性較大的特種設(shè)備，吊運熔融金屬的起重機運行環(huán)境惡劣，其起升機構(gòu)事故發(fā)生概率高，如墜落、脫鉤、傾翻、折斷等，主要與起升機構(gòu)及其控制系統(tǒng)直接相關(guān)。起重機安全預(yù)警機制的引入，可降低起重機械的使用風(fēng)險，而可靠的起升機構(gòu)及其控制系統(tǒng)能夠減少事故。

1 傳統(tǒng)起升機構(gòu)控制

吊運熔融金屬的橋式起重機，最頻繁的機構(gòu)是起升機構(gòu)，重載低速，輕載高速，制動和正反轉(zhuǎn)頻繁，加上高溫、粉塵等環(huán)境，導(dǎo)致接觸器線圈銜鐵不釋放，接觸器觸點發(fā)生粘連，停滯現(xiàn)象［1-2］。

當(dāng)遇到制動接觸器的輔助觸點-ZC（11，12）因各種原因發(fā)生斷路時，下降4～6 檔任一檔都會經(jīng)過第1，2，3 檔。此時上升方向接觸器ZC 得電，-ZC（17，18）閉合，在下降第2，3檔時，使制動器接觸器ZDC得電，制動器開閘。下降到4～6 檔時，重物懸空，電機下降方向接觸器斷開，電機失電，制動器自鎖開閘，此時重物發(fā)生墜落。

重物停止在一定高度再次啟動時，上升方向1～6檔，下降方向2～3 檔，上升方向控制電源或動力電源出現(xiàn)故障而失電，制動器卻不能抱閘，重物便自由落體運動；下降方向4～6 檔，下降方向控制電源或動力電源出現(xiàn)故障而失電，制動器卻不能抱閘，重物便自由落體運動。

變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展到今天已完全克服了上述不足，不僅能保證安全，同時對電動機要求不高，采用普通鼠籠型異步電動機即可，電機制造工藝簡單，使用維護方便。

2 變頻器控制

變頻器將原來直接通入定子繞組的工頻交流電先行通入變頻器中，其中整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆成交流電。將變頻器輸出的交流電再通入定子繞組中，通過變頻器改變輸出頻率，使電機轉(zhuǎn)速下降的同時還能保證其輸出適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)矩，實現(xiàn)無級調(diào)速。

2.1 變頻器調(diào)速的基本原理

式中，n-異步電機的轉(zhuǎn)速（r/min）；f-異步電機的頻率（Hz）；S-異步電機轉(zhuǎn)差率；P-電動機極對數(shù)。

異步電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n與旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速n0（又稱同步轉(zhuǎn)速）不同，兩者之差稱為轉(zhuǎn)差［3］。

固有機械特性是指電動機在額定電壓和額定頻率下，按規(guī)定接線，定、轉(zhuǎn)子電路不外接阻抗時的機械特性，人為機械特性是指人為改變電源參數(shù)或電動機參數(shù)而得到的機械特性。交流變頻調(diào)速電機的機械特性由負載的大小決定。常用的變頻器通過降低或增加電源頻率的方法，使得電機的人為機械特性不斷切換。

定子產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速）為1 440r/m，工作點“Q1”的轉(zhuǎn)速為n1=1 500r/m，頻率50Hz 在第一象限，通過降低頻率而減速，在頻率下降的瞬間，人為機械特性已經(jīng)切換到曲線②，工作點由Q1跳變到Q’，進入第二象限，電機處于再生制動狀態(tài)（發(fā)電狀態(tài)）。其電動機轉(zhuǎn)矩變?yōu)榉捶较蛑苿愚D(zhuǎn)矩，使電機轉(zhuǎn)子速度迅速下降，又重新進入第一象限，到達Q2點，轉(zhuǎn)速為1 350r/m，頻率為45Hz，接著處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。此時，Q2點便是頻率降低后新的工作點，其中TL為電機處于②機械特性曲線，轉(zhuǎn)速為n2時對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。

2.2 三相異步電動機變頻調(diào)速原理

三相異步電動機變頻調(diào)速方式一般分為恒磁通和恒功率變頻調(diào)速。異步電動機定子供電電壓一定時，每極磁通Φ隨頻率f1的變化而變化，若頻率f1從額定頻率50Hz往下降低，磁通將會增加，造成電動機中磁路過度飽和，定子電流中勵磁電流部分大大增加。這將使電動機的鐵心損耗增加，因此通常使磁通恒定，即Φ為常數(shù)。

以上是恒磁通變頻調(diào)速原則，此條件下變頻調(diào)速，電機的主磁通和過載能力不變。在基頻以下調(diào)速時，保持恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。交流異步電動機恒轉(zhuǎn)矩變頻調(diào)速主要通過降低供電電源的頻率f1來降低鼠籠異步電動機的同步轉(zhuǎn)速n0，從而使電動機獲得平滑的速度變化。

2.3 起升機構(gòu)防溜鉤

2.3.1 重物升降速度逐漸為0。為防止溜鉤，需要電氣制動配合制動器。起升機構(gòu)停車的控制中，變頻器與制動器時序配合，在升降過程中，需要停車時，變頻器發(fā)出停車信號，當(dāng)輸出頻率下降到fbs時，發(fā)出制動器抱閘命令。此命令維持時間tbb應(yīng)略大于制動器從釋放狀態(tài)到完全抱閘的時間，同時過程中變頻器輸出頻率保持不變，保持足夠的轉(zhuǎn)矩。抱閘時間結(jié)束后，制動器閉合，變頻器輸出頻率直接下降到0。

2.3.2 重物半空中由0 速升降。當(dāng)變頻器工作后，頻率上升至fRD，暫停上升。在制動器電磁鐵通電前，變頻器需要檢測當(dāng)前是否有足夠大的輸出電流可以控制重物的升降，不會出現(xiàn)溜鉤。設(shè)定檢驗電流的時間為tRC，繼續(xù)保持頻率為fRD，之后制動器開始松閘，頻率仍要保持在fRD一段時間tRD，tRD大小應(yīng)略大于制動器從完全抱死到完全松開所需要的時間。制動器完全松開后，變頻器將工作頻率上升至所需要的頻率fX。無反饋矢量控制的變頻器，可以使電機在0.5Hz下達到150%的額定轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)變頻器有反饋矢量控制時，變頻器具有“啟動前的直流強勵磁功能”。變頻器可以在啟動之前，自動進行直流強勵磁，使電動機有足夠大的轉(zhuǎn)矩，有速度傳感器的矢量控制，可以在電機轉(zhuǎn)速0 r/min 時達到200%的額定轉(zhuǎn)矩。這樣就可以維持重物在空中的靜止?fàn)顟B(tài)，保證電磁制動器在釋放過程中不會溜鉤。時序圖如圖1所示。直流制動勵磁功能，即變頻器在啟動之前自動進行直流強勵磁制動，使電動機有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，維持重物在空中的停止?fàn)顟B(tài)，以保證電磁制動器在釋放過程中不會發(fā)生溜鉤。

圖1 起升機構(gòu)啟動的控制過程

3 結(jié)論

使用變頻器的起升機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)重物無論是從升降到停止，還是從停止到升降過程中不溜鉤。實現(xiàn)了起重機的起升機構(gòu)在一定速度范圍內(nèi)的無級調(diào)速功能，運行平穩(wěn)。同時節(jié)能降耗且維護檢修工作更加簡單快捷。

［1］楊金龍.冶金橋式起重機電氣控制回路的改造［J］.起重運輸機械，2012（2）：83-85.

［2］陳曦.冶金起重機起升機構(gòu)電動機失電保護初探［J］.機電技術(shù)，2010（3）：110.

［3］趙國.起重機械電氣安全技術(shù)檢驗［M］.大連：大連理工大學(xué)出版社，2008.