1、变频调速交流起重机调速发展的误区试论交流起重机调速的发展方向（一） 孔 凡 华摘要 起重机调速先后历经转差调速和变频调速两条发展途径。从起重机实际出发的转差调速，以绕线电动机及其外接电阻为基础，符合起重机调速发展的大方向；而采用鼠笼电动机的变频调速属于一般调速技术，与起重机工作和负载特点不相适应，势必成为起重机调速发展的误区。关键词 鼠笼电动机 变频调速 绕线电动机 转差调速 交流起重机泛指由交流电驱动的各种起重机，由电动机、制动器及其电控元件组成的调速系统（驱动控制系统） ，与起重机的结构和机械部分并称三大组成部分，具有对机械部分各工作机构驱动与控制的功能，实现工作要求的运动过程，达到整机的
2、效能及安全性、耐久性和经济性等各方面指标。理想的起重机调速系统应有良好的综合性能，包括起动性能、稳定调速性能、制动性能和实用性、经济性、控制技术性、环境适应性、安全可靠性等各方面性能，能够普遍地适用于各类用途的起重机。这是起重机调速发展的大方向，偏离这个大方向就是走上歧路陷入起重机调速发展的误区。关键在于考查调速系统的出发点，是否符合起重机工作和负载特点，能否满足起重机对调速性能（包括起动、稳定调速、制动）的特殊要求。一、从起重机实际出发的绕线电动机转差调速1 起重机转差调速的发展历程我国起重机调速系统的产品（起重机电控设备） ，基本上是解放后从无到有发展起来的，自建国初期到现在历经三个发展阶
3、段：上世纪50 年到 70 年代的起重机电阻调速发展阶段，70 年到 90 年代的起重机转差调速大发展阶段，90 年代到现在的起重机变频调速研发应用阶段。这三个阶段差不多走过 60 年历程，却有着两条完全不同的发展途径：前两个阶段的 40 年走的是绕线电动机转差调速发展途径。自上世纪 50 年代从完全仿苏的纯电阻调速系统起步，到 70 年代全国统一设计生产的的电阻调速系统，虽然前苏联技术影响，产品单调性能较差无选择余地，重要场合高性能起重机仍须直流驱动。但从元件到系统都完成了国产化步骤，普遍地应用在通用类起重机上，以及一些装卸、安装类起重机，为以后转差调速的大发展奠定了基础。上世纪 70 年中
4、期到 90 年代初期，为起重机转差调速大发展阶段。在此期间特别是改革开放以来，大力引进吸收徳、日、法等国先进技术，迅速扩大产品范围不断提高调速性能，出现了调速系统更新换代的高潮。先后研发生产出动力制动调速、涡流制动器调速、液压推杆制动器调速（原始的） 、晶闸管调压调速等转差调速的系列产品，经起重机设计规范 （GB38111983）规定，可供各类用途起重机选择应用，几乎完全替代了起重机的直流驱动。在此期间还对电阻调速系统的老产品实行改造，成为现行的电阻低（级）调速产品。至此已经形成较为完整的起重机转差调速体系，基本上能满足起重机高性能和多样性的需求，迄今转差类调速系统仍据有主流地位，普遍地应用在
5、各类用途的起重机上。并且历经生产实践的长期考验，技术成熟基础雄厚，标准化、系列化、通用化已达到相当高的水平，可为设计制造和使用管理提供可靠保障。为什么起重机转差调速能够得以迅速发展，成长壮大乃至今日仍有不可动摇之势呢? 根本原因在于，转差调速是从起重机实际出发的，与其工作和负载特点相适应，符合起重机调速发展的大方向。2 绕线电动机的过载能力和特性软化在工频条件下同步转速保持不变，通过改变转差率而实现调速的各种起重机调速系统，通称为起重机转差调速。其共同特征均以绕线电动机及其外接电阻为基础，绕线电动机是起重机专用电机，主要特点是过载能力强，最大转矩为额定转矩的 2.83.5 倍，而且通过其转子串
6、联电阻（外接电阻）可使过载能力在各种条件下得到充分发挥，软化它们的机械特性。所说的各种条件也就是各种调速手段，包括在定子侧改变电源接线（反接、单相制动调速） 、通人直流电（动力制动调速） 、调节电源电压（晶闸管调压调速）或在转子侧附设制动器（涡流制动器、液压推杆制动器调速）等。适当的外接电阻值使上述条件下具有不同临界转差率，其机械特性曲线也就被软化为倾斜度不同的有效直线段，在低速下可增大电磁转矩，从而与起重机恒转矩的负载特性相交，在不同转差率下（即不同转速）运行而实现调速，可称之为“软调速” 。同时外接电阻还可以减小电动机电流，并消耗热量防止电动机过热。交流起重机以完成固定范围（服务区）内重物
7、的空间位移为工作目的，各机构间需要协调配合交替工作短时运行，起动和制动非常频繁，经常处于起动和制动两种非稳定运行状态。除具有恒转矩特性的静负载，还必须考虑满载起动和制动过程中的动负载。缺乏足够的过载能力不可能实现顺利起动、制动和低转速下的稳定运行。起动、制动和稳定调速实质上，都是电磁转矩与负载转矩平衡问题，过载能力是评价一种起重机调速系统的首要指标，一般说来最大转矩至少要达到额定转矩的 2 倍，可见起重机转差调速在这方面存在的技术优势。3 起重机转差调速的调速性能起重机转差类调速中的电阻调速、动力制动调速、涡流制动器调速系统都具有良好的起动性能，由于绕线电动机载能力强，适当的外接电阻值，甚至可
8、使其起动转矩接近最大转矩，足以适应起重机满载起动的需要。匹配好外接电阻值实行分级起动，逐次克服起动过程中存在的静、动负载转矩，以最小的电动机容量、最短的起动时间，在允许的起动电流范围内实现顺利起动，达到额定转速稳定运行，这是一种近乎理想的起动方式。转差调速中的晶闸管调压调速的起动，虽然也采用绕线电动机及其外接电阻可增大电磁转矩，但比不过低压时电磁转矩（与电压平方成正比） ，的减小，其电动机必须降容使用，因此起动性能较差。起重机各种转差调速系统因其调速手段不同，而表现出不同程度的稳定调速效果。电阻调速系统以绕线电动机及其外接电阻为主要调速手段，电动状态调速范围仅限于在高速段内变化，在使用操作中没
9、有多大实际意义；起升机构重载制动下降采用反接、单相制动调速的操作档位相互独立，只能获得各自的某一转速。该系统名义上有 3 以下的调速范围，被视为起重机的低级调速，通称称为电阻低调速系统。动力制动调速系统以绕线电动机及其外接电阻为基础基础，在定子三相电源中两相通人直流电，改变外接电阻值产生不同的制动转矩，由此获得不同转速的重载制动下降。电动机反向操作可设多档转速，调速范围为 35 从而实现真正意义上的调速，属于为高（级）调速系统，调速范围在 3 以上的通称为高调速系统。涡流制动器调速系统以绕线电动机外接电阻为基础，设置一种电磁性质的涡流制动器，通过改变其直流励磁的电流值，使涡流制动器产生不同制动
10、转矩而实现调速的。它解决了电阻调速系统电动状态下调速范围太小的问题，调速范围为 510。对于起升机构的重载制动下降，该系统令电动机断电，完全依靠涡流制动器产生不同的制动转矩来平衡重力转矩作用，获得不同转速的重载制动下降，并能达到相当低的转速。晶闸管调压调速系统以绕线电动机外接电阻为基础，通过晶闸管调压器改变定子电源电压实现调速的。该系统的晶闸管调压器是一种电力电子调压装置，具有良好的可控性，易于实现具有负反馈的闭环自动控制，因此该系统的调速范围可以扩大到 1020。起升机构重载下降时，当转速超过给定转速将使系统自动转换为反接制动状态，实行重载制动的低速下降，这就使正、反向操作都变得方便自如。各
11、种转差调速系统的制动性能比较，主要看它们的稳定调速性能。起重机正常工作电动机应在额定转速下运行，才能发挥出应有的效能，没有稳定调速的必要。稳定调速完全是为制动过程的需要，在实施机械制动前获得相当的低速，以便达到停准、停稳的制动目的。因此调速范围大小是系统制动性能的重要指标，各系统按调速范围由小到大的排序即为制动性能的排序：电阻调速、动力调速、涡流制动器调速、晶闸管调压调速。为了防止起升机构发生危险的溜钩现象，解决机械制动器因其机械惯性滞后于断电时间的问题，各种转差调速系统均对电动机和制动器实行分别控制。并采取制动器先断电电动机后断电的时序控制措施，如利用延时继电器、频率继电器或控制器零位前设制
12、动器断电档等。实践证明这些措施简单方便行之有效，制动性能都得到相应的改善。4 转差调速的关键问题和发展前景如前所述起重机转差调速，以绕线电动机及其外接电阻为基础，均具有良好的起动性能，其结构简明易于实现，对高温、粉尘等环境条件不敏感，又具有实用性、经济性、环境适应性较好的优点。同时外接电阻对机械特性的软化作用，为改善稳定调速、制动性能提供出必要条件，关键要看采用何种调速手段。电阻低调速系统采用反接、单相的调速手段，虽然运行调速较差，制动性能一般，但仍可满足通用起重机的要求。又由于存在上述诸多优点，因此普遍应用于通用类起重机、抓斗起重机以及装卸、安装、冶金等用途起重机的运行机构。动力制动调速系统
13、，采用定子通人直流电的调速手段，改善了重载制动下降的运行调速和制动性能，又存在上述诸多优点，特别是具有良好的环境适应性，因此普遍应用于冶金类起重机的起升机构。涡流制动器调速系统，采用附设涡流制动器的调速手段，使其运行调速和制动性能得到进一步改善，又具有良好的起动性能、环境适应性，由于增设涡流制动器等一些器件，系统趋于复杂实用性、经济性一般，可应用于装卸、安装、冶金等用途的起重机。晶闸管调压调速系统，采用晶闸管调压器调压的调速手段，并实行具有负反馈的闭环自动控制，属于现代控制技术，因此具有良好的运行调速和制动性能，但其系统结构复杂不易实现，实用性、经济性差，系统组成多为电子器件，对周围高温、粉尘
14、、振动等环境敏感，环境适应性也差，特别是需要降压起动起动转矩减小，电动机必须降容使用起动性能变差，主要应用于要求较高的装卸、安装等用途的起重机。转差调速系统均有各自的优缺点和应用范围，说明对起重机有一定的适用性，但适用性都不够强，形成多种转差调速系统分立并存的局面。由此给起重机设计制造和使用管理，造成的不利影响和无形损失则是不可估量的。问题的关键在于：现有的转差调速系统所采用的调速手段都存在不同的缺陷，未能在绕线电动机及其外接电阻的基础上真正做到取长补短，也就是在保持其起动性能、实用性、经济性、环境适应性良好的基础上，再具有良好的运行调速和制动性能。如果能够突破这一关键问题，设想采用某种调速手
15、段，可以在绕线电动机及其外接电阻的基础上真正做到取长补短，那么由此构建一种新的转差调速系统将具有全面良好的综合性能，能普遍地应用于各种用途的起重机。可见转差调速的绕线电动机及其外接电阻，基础雄厚极具潜力大有发展前途，从这个意义上讲转差调速代表了起重机调速发展的大方向。遗憾的是自上世纪 90 年代初，我国开始引进推广现代变频调速技术，起重机调速从此进入变频调速研发应用阶段，改变了起重机调速的大方向而走上歧路陷入误区；与此同时似乎起重机转差调速的发展赫然而止，原地踏步停滞不前如今算来也将近 20 年了，这与 70 年代到 90 年代转差调速大发展阶段成了鲜明对照。现在我国起重机调速发展已经处于两难
16、的境地，是不惜工本继续推行变频调速呢? 还是回过头来坚持转差调速的大方向呢? 急待做出正确的抉择。二、鼠笼电动机变频调速是一般的调速技术1 起重机变频调速的发展历程自上世纪 90 年代初我国引进变频调速技术以来，现已在一般机械上普遍推广应用，国内的交流调速得到跨越式发展。变频调速以其现代控制方式和良好的调速性能，在提高产品质量、工作效率或节约能源上收到显著效果，被誉为交流调速技术的主流。与此同时，不失时机地开展起重机应用变频调速的研发工作，使起重机调速走上一条鼠笼电动机变频调速的发展途径，到现在也将近 20 年了。其间竞相推出不少用于生产实际的案例，推广变频调速一直起重机行业乃至工控领域的热点
17、，变频调速已由新修订的起重机设计规范（GB38112009）规定为起重机调速方式之一，成为起重机调速系统一族的新成员。但在实际的研发应用当中却遭遇到重重困难，从开始的普通变频器到高性能变频器再到起重机专用变频器，功能一再增强；从普通鼠笼电动机到起重机专用变频电动机，并必须加大电动机容量；以及整个系统结构愈加复杂，制作成本不断攀升等。到目前尚无定型的批量产品能给某一类用途的起重机配套，并且缺乏相应的技术标准，作为核心部件的专用变频器完全依赖进口，国产化的难度大将是一个长期的过程，目前起重机变频调速仍处于研发应用阶段，这与变频调速在一般机械上推广应用速度和效果形成鲜明对照。其根本原因在于变频调速是
18、一种一般的调速技术，与起重机的工作和负载特点不相适应，背离起重机调速发展的大方向而陷入误区。2 变频调速的一般性表现称变频调速是一般的调速技术主要含义是，对稳定调速（不包括起动和制动）具有普遍意义（都能适用）的一种现代调速技术。变频调速系统是由变频器提供变频电源而实现调速的，改变电源频率即改变电动机同步转速，转差率不发生变化，能得到工频上下与自然特性曲线近乎平行特性很硬的无数条机械特性曲线。由此容易与各种负载特性曲线相交，实现多档控制或无级调速并具有非常好的稳定调速性能，其调速范围、精度、平滑性等各项调速指标甚至能够与直流调速相媲美，可称之为“硬调速” 。称变频调速是一般的调速技术的另一个含义是，适用于交流电力驱动一般机械的调速技术。由交流驱动一般机械，主要指各种加工
