周 超 帅 飞 高志柯 李向东
江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036
摘 要：测试了三台典型起重机的机构带载运行参数，获得了电流、功率和耗电量曲线以及功率因数和机构效率值，分析对比了直接驱动、转子串电阻调速和变频调速三种方式对运行性能的影响。测试结果表明：变频调速方式对抑制尖峰电流和提高功率因数作用最明显，对大车运行机构的效率提升明显；转子串电阻调速能抑制一部分尖峰电流，同时能量反馈机制能提升机构效率；直接驱动方式使用在要求不高的小型设备上，具有一定的节能优势。
关键词：起重机；机构；运行参数；测试
0 引言
桥门式起重机是工业生产基础装备，依靠驱动机构提供动力在三维空间内移动重物。驱动机构包括起升机构、大车运行机构和小车运行机构。起升机构由电机驱动减速器和卷筒，使重物上升和下降，运行机构由电机驱动减速器和车轮，使重物水平移动。驱动机构的功能是将电能转换成动能和势能，通过测试和分析输入的电参数和输出的机械参数，能够验证设计，获得机构的工作状态、运行效率、动态特性[1-4] 等信息，评估机构的安全性能。
本文选取典型的桥门式起重机产品，在使用现场进行带载试验，测试机构的动态电流、功率、消耗电能、功率因数等参数，进一步计算机构效率。通过对数据的分析，得到机构的一些特性，为起重机设计、选型、评价提供参考。
1 测试对象和测试方法
1.1 测试对象
电机是起重机机构中能量转换的核心部件，按功率要求一般选用鼠笼式和绕线式异步电动机，小功率的运行电机以鼠笼式居多，中大功率的起升电机以绕线式为主。相应的，常用的起动调速方式分为直驱式（无调速）、转子串电阻调速和变频调速等三种[5]。本次测试在使用现场随机抽取了采用这三种控制方式的起重机产品各一台，主要参数如表1 所示。
1.2 测试方法
测试所用仪器为一台Fluke435-Ⅱ型电能质量和能量分析仪，配i400 s 型电流钳，设置以25 m/s 的速率采集并记录机构电机的输入电压、电流、功率、功率因数和消耗电能等参数。按照图1 所示接线原理将仪器的电流钳和电压钳接入控制柜，接好后开机用示波器模式检查接线无误。将待测起重机挂好重物，配备专人测量并记录各个机构工况，开始测试，仪器接线如图1 所示，试验现场如图2 所示。本次试验分别测试了起升机构带载上升和下降、大小车机构带载运行工况的数据，如表2 所示。
图1 仪器接线图
图2 测量现场
2 测试结果与分析
图3 ～图5 为起升机构工作时的动态电流（3 相的电流一致，图中只给出了其中1 相的结果，下同）、功率和耗电量曲线，图6 为1 号设备小车运行机构的动态电流、功率和耗电量曲线，图7 和图8 为2 号和3 号设备大车运行机构的动态电流、功率和耗电量曲线。
图3 1 号起重机起升机构运行参数
图4 2 号起重机起升机构运行参数
图5 3 号起重机起升机构运行参数
带载起升的起动瞬间，1 号和2 号机构的电流和功率曲线均有明显的尖峰。1 号起升电机为直接起动，尖峰电流约为工作电流的3 倍，2 号起升电机采用转子串电阻调速，虽然有尖峰电流，但数值只为工作电流的1.5倍，起动电阻对尖峰电流的抑制作用明显。3 号机构由于采用了变频驱动，起动过程电压和功率曲线逐渐上升，变化较平缓。带载下降阶段，1 号和2 号机构功率曲线为负值，电能 - 时间曲线也呈下降趋势，此时电机在负载的带动下对外做功。从表2 的工况实测值也可以看出，下降时的速度比额定速度大10% ～ 15%，表明电机转速超过了同步转速，处于回馈发电状态[6]。3 号机构下降过程中，起升机构基本不从电源吸收电能，也不对外做功，只是在下降的初始和结束时消耗了少量电能，表明载荷下降时的位能都消耗在电机内部、制动电阻和传动机构损耗上。从电能使用效率角度而言，变频驱动方式在此工况下没有优势。
图6 1 号起重机小车机构运行参数
由运行机构测试曲线可知，大小车运行机构整个运行过程电流和功率值都是波动的。图6 和图8 中电流和功率曲线呈一定规律性的波动，根据感应电机机械特性并结合现场视频记录，分析原因主要是因为机构运行时载荷的周期性摆动。当载荷摆向运行方向时，载荷惯性成为驱动力，机构电机负载变小，当载荷摆向相反方向时，载荷惯性成为阻力，机构电机负载变大。负载周期性的变化导致电流和功率也出现周期性变化。图7 中的电流和功率曲线不但有波动，还出现尖峰现象，分析后得出是因大车运行机构发生了啃轨或运行偏斜等问题，运行阻力增加，导致电机功率短时陡然增加。
图7 2 号起重机大车机构运行参数
图8 3 号起重机大车机构运行参数
表3 为3 台设备机构电机的功率因数。起升机构的负载是稳定的，功率因数是定值，而运行机构负载是波动的，导致功率因数也是变化的。从表中可以看出，1号和2 号设备起升过程电机功率因数在0.8 左右，3 号设备功率因数则接近1。可知采用变频驱动后，功率因数提高明显。
3 机构效率分析
对上述测试的数据进一步分析计算，可以得到机构的效率η。如前所述，电机的输入能为机构的总供给能，电能单位为千瓦时，换算成机械能的单位焦耳，则机构总供给能为
式中：D 为电能。
对起升机构而言，输出的有效能为重物的势能，即
式中：mz 为载荷质量，h 为起升的高度。
对运行机构而言，输出的有效能为动能和克服摩擦阻力做功，即
式中：μ 为滚动摩擦系数，取值0.006 [7]；mzz 为整
机质量和载荷质量之和，或为小车质量和载荷质量之和 ；S 为运行距离；v 为速度。则起升机构效率为
运行机构效率为
应用上述公式处理采集到的数据，得到机构的效率，结果如表4 所示，表中所列效率只包含了起升工况。需要说明的是参考文献[8] 中计算有效能时，将起升和下降一同考虑，应用这种算法计算1 号和2 号设备起升机构效率，结果要比本文研究所得的高很多，因为下降阶段的能量反馈减小了供给能。从工作循环的概念考虑，起升和下降可以算一个过程，但是从研究的细致方面和数据丰富性考虑，本文将上升和下降过程分开考虑，且本文的测试数据涵盖了文献[8] 的计算要求。
由表4 可知，起升过程机构效率在70% 左右，且机构是否采用变频调速对结果无明显影响。但是，对于运行机构，特别是大车运行机构，采用变频驱动的机构效率较高，分析是因为变频驱动方式起制动平稳，啃轨、运行偏斜等现象减少，运行阻力明显减小。
4 结论
本文在使用现场测试了三台典型起重机的机构带载运行参数，获得了电流、功率、耗电量随时间变化的曲线，分析对比了直驱、串电阻调速和变频调速三种起动方式对参数和机构特性的影响，计算得到了机构效率值。从测试结果看，变频调速方式对抑制尖峰电流和提高功率因数作用最明显，对大车运行机构的效率提升明显；转子串电阻调速的特点是能抑制一部分尖峰电流，同时能量反馈机制能提升机构效率；直接驱动方式使用在要求不高的小型设备上，具有一定的节能优势。
参考文献
[1] 张进，冯双昌，吴峰崎. 岸边集装箱起重机能耗测试与分析[J]. 起重运输机械，2014(6)：81-83.
[2] 李涛，鲁卫涛，王振杰，等. 塔式起重机电能耗测试分析[J]. 建筑机械化，2015(8)：56-58.
[3] 李向东，周超，陈序，等. 起重机械能效评价基准与实验研究[J]. 建筑机械，2019(8)：47-50.
[4] 万安定，刘丽萍. 基于转子槽谐波的感应电机无传感器测速方法研究[J]. 动力系统与控制，2013(2)：63-68.
[5] 傅德源. 实用起重机电气技术手册（第2 版）[M]. 北京：机械工业出版社，2011.
[6] 唐介. 电机与拖动[M]. 北京：高等教育出版社，2003.
[7] GB/T 30223 － 2013 起重机械用电力驱动运行机构能效测试方法[S].
[8] GB/T 30222 － 2013 起重机械用电力驱动起升机构能效测试方法[S].
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