起重机电机驱动系统中电子变频器性能优化与调试策略研究

　　陈建夫

　　【摘 要】本论文以起重机电机传动系统电子变频器为研究对象，对其性能优化及调试策略进行了研究。重点研究电子变频调速系统的工作机理及性能评估指标，提出一套基于变频调速系统的控制算法、硬件选择与设计、运行参数与能效优化方法。在此基础上，详细介绍了电子变频调速系统的调试步骤与方法，总结出常见的故障与解决方法，同时给出了相应的调试工具与技术支持。通过本项目的研究，可进一步提升电子变频器在起重机电机传动系统中的性能及稳定性，为其工程应用提供理论依据。

　　【关键词】起重机；电机驱动系统；电子变频器；性能优化；调试策略

　　一、电子变频器性能分析

　　（一）电子变频器基本原理

　　电子变频调速系统是起重机电动机调速系统的核心部件，它能根据起重机不同工作状态的要求，对电动机的速度、转矩进行调节。起重机电动机调速系统能根据吊车的负载情况，准确地调整电动机的转速，使其运动更顺畅，效率更高。其中包含的变频调速装置是一种能把固定频率的电源输入变换成频率可调、电压可调的功率调节装置。另外，逆变器则是将直流电源转换成频率可调、电压可调的交流电源的装置，为电动机提供电力。该逆变器由IGBT、MOSFET等高频开关器件及控制电路构成，可精确控制电流、电压，进而调节电机运行状态。

　　变频调速系统在起重机械传动系统中有很多优点。首先，它具有大范围的调速功能，在低转速和高转速之间的切换不需要改变马达的机械结构，只需要调节变频器的输出频率就可以了。其次，变频调速系统可通过控制电压、电流波形使电动机平稳启停，降低起停冲击对起重机及其他设备造成的损害。另外，变频调速系统具有调节效率高，可靠性高，维修方便等优点，对提高行车效率、可靠性，减少能耗及维修费用具有重要意义。当前，变频器在各种起重机的电动机传动系统中得到了广泛应用，如桥式起重机，塔式起重机等[1]。采用变频调速，可使吊车平稳启动，精确定位，调速及负载控制。同时，本系统还具有过载保护、过热保护、低电压保护等多种保护功能，确保了起重机的安全运行。

　　（二）性能参数评价指标

　　起重能力是衡量电子变频器性能的一个重要指标。它是指起重机吊运重物时所能承受的最大载重量。电子变频器可提供充足的功率及转矩，可使起重机能快速、稳定地升降重物。在实际应用中，由于起重机种类及作业环境的不同，对起重能力的要求也各不相同，一般采用吨位计量。

　　调速范围是衡量电子变频器性能的另一重要指标。它代表了起重机电动机工作时所能达到的调速范围。电子变频器调速范围大，能够使吊车由低速向高速平稳过渡，适应各种工作条件。起重机在吊装、卸载、吊装过程中，需要对不同转速进行控制，因此，拓宽调速范围对其运行与控制具有重要意义。例如，当吊车电动机传动系统转速调节范围是0~10米/秒时，慢速精确定位可执行1米/秒，高速运动可执行10米/秒。更宽的调速范围意味着起重机可以更灵活地适应不同的作业要求和工作环境。

　　准确定位能力是衡量电子变频器性能的一个重要指标。当起重机需要将重物精确定位至指定位置时，其准确的定位能力显得尤为重要。为了使起重机能准确地调整位置，确保起重设备的安全高效，电子变频器必须能提供高精度的频响和扭矩控制。假设吊车马达传动系统能精确定位±1毫米，也就是说，该系统能使吊车在1毫米范围内精确控制位置。这对于一些要求精密定位的作业（如组装、精密搬运等）具有重要意义[2]。

　　起止时间是衡量电子变频器性能的又一个重要指标。它代表了电子变频器启动或停止运行所需要的时间。起重机在实际生产过程中，起停操作频繁，快速启停对提高起重机的工作效率和响应能力具有重要意义。

　　二、电子变频器性能优化策略

　　（一）控制算法优化

　　优化电子变频器控制算法是其性能优化的重要途径，直接关系到其运行效果。起重机电机传动系统转矩控制算法是实现负载平稳精确控制的关键。采用最优转矩控制算法，可有效地提高启动、加、减速过程的稳定性与精度。比如，利用先进的矢量控制技术，结合反馈信息，实时调节转矩输出，使不必要的振动和振动降到最低。为了满足不同工况对速度的要求，起重机电动机驱动系统必须能达到精确的转速控制。通过对速度控制算法的优化，提高了起重机在高、低、变工况下的响应速度及控制精度。例如，采用先进的PID控制算法，结合速度反馈与预测模型，使速度调整更平稳。对于一些起重操作，如吊装，堆放等，精确的位置控制显得尤为重要。因此，对定位控制算法进行优化，如利用闭环控制算法，结合位置反馈系统及高级滤波技术，可实现精密定位与位置控制。除了精确地控制，能量效率也是电子变频器性能优化的关键。通过优化控制算法，可有效地提高起重机电机传动系统的能量利用率，减少能耗。比如，通过智能调节技术，实现对负荷的动态调节，实现对电能的回馈与回收。

　　（二）硬件选型和设计优化

　　为了最大限度地发挥电子变频器的性能，提高其稳定性，对其硬件选择与设计进行优化具有重要意义。变频器作为起重机电机传动系统中的核心设备，其合理的选型直接关系到整个系统的性能。变频器的选型要综合考虑其负载特性、工作环境及控制要求。如大功率起重机在重载、高转速下，必须选用性能好、功率大、可靠性高的变频器。在起重机电动机传动系统中，电动机也是核心部件，合理选用电动机并与变频器进行匹配显得尤为重要。电动机的选型应综合考虑额定载荷、调速范围及效率要求。例如，对于重型吊车，必须选用高转矩、高效率的电动机，才能保证高负荷、低转速下的稳定性与精确控制。起重机电动机传动系统综合布线设计要考虑供电、信号传输、控制等环节。合理的配线设计能有效地降低信号的干扰，增强系统的抗干扰能力及可靠性。例如，为了减少相互干扰，可采用分路设计，即将电源线与信号线分开配置[3]。起重机电机传动系统常工作于高温、高湿、多尘等恶劣环境中。通过合理的硬件选择与优化设计，保证了系统在恶劣工况下的稳定运行。例如，可选用具有防尘、防潮、耐腐蚀等特点的设备及元器件，并对其进行合理的散热设计，以保证其在高温环境中运行的可靠性。

　　（三）运行参数优化

　　起重机电机传动系统运行参数优化，是通过调节各参数，最大限度地提高系统性能，提高能源利用率。首先，电子变频器输出频率对吊车电动机的速度有很大的影响。例如，对轻型吊车而言，频率设定在60Hz时，可获得高效率、高速度的效果；对于重型吊车来说，把频率调到30Hz，就能输出更大的转矩。在不同的载荷条件下，采用最佳的频率设定，可使起重机电动机传动系统达到最优的性能。其次，起重机起停时的加减速时间对系统的响应速度及平稳性有很大影响。例如，采用5秒加速、3秒减速等方法，可有效地降低起重机运行时的机械冲击及振动，提高起重机电动机传动系统的运行稳定性。再次，在一些起重机的应用中，角度控制是很重要的，例如塔式起重机的旋转，臂的伸缩控制等。例如，通过调节角度控制的加速度及减速度参数，使加速度设定在50°/s²²，减速度设定在30°/s²，能够使起重机的回转及起重臂的伸缩动作更平滑、更准确。最后，功率因数的优化能够降低电能浪费，降低成本。例如，若采用功率因数校正装置或加装电容器，并加以适当调整，使功率因数达到0.98以上，则可降低无功损耗，提高功率因数效益。

　　（四）能效优化措施

　　首先，起重机电动机是影响系统能源效率的一个重要因素。选用高效电机，可减少能耗，提高系统效率与性能。如采用高效三相感应电动机（IE3），其能量效率较传统电机提高10%左右。同时，采用多段式、永磁同步电动机等低转子整流损耗的电机也可以进一步提升能源效率。选择与之相匹配的电子变换器是实现能源效率优化的关键。其次，优秀的变频器设计与控制算法能够最大限度地提高能源效率。如利用高效率IGBT（绝缘栅双极型晶体管）及先进脉宽调制（PWM）控制技术，可有效降低能量损失，提高转换效率。再次，起重机电机在减速时会产生反向电能，能量回馈技术可将其回馈至电网或其他电机传动系统，实现能量的再利用。如利用准无功电流型逆变技术，将逆变电能回馈电网，可降低能量损失，提高系统能量效率。最后，采用负载检测、智能磁控、睡眠等先进节能控制策略，可在保证吊车正常工作的前提下达到节能降耗的目的。比如，根据实时负荷状况，自动调节变频器输出频率、功率，开启休眠模式减少待机功耗等，都能有效地减少系统能耗。

　　三、电子变频器调试策略研究

　　（一）调试过程和方法论

　　在起重机电动机传动系统中，变频器的调试是保证系统正常工作并优化其性能的一个重要环节。有几个准备工作要做：首先，了解起重机电动机传动系统的设计及技术指标，包括额定电压，额定功率，额定转速等。其次，检查电源及电气接线情况，确认变频器与电动机的电源、信号线路是否正确、可靠。另外，要备好必要的测量仪器，如电压表，电流表，频谱分析仪等。在实际调试前，必须对电子变频器的参数进行设定与校验。根据电动机的额定参数及运行要求，设定电动机的额定电压，额定频率，转矩曲线等有关参数。同时，对变频器进行标定，确保参数的准确、一致，从而保证有效的控制效果。电子变频调速系统的调试可分为几步进行：首先，对电动机进行基本的调试，包括电动机的启停、正反转和转速控制。然后逐步加载，调节速度，观察马达反应及工作状况，检查有无异常状况或故障。其次，对电动机的电流、电压进行调试，并对其电流、电压波形进行监控，以保证其满足设计要求，并能稳定运行。最后，对速度环控制、位置环控制等高级控制功能进行调试，对控制参数及设定进行优化，从而达到高精度的运动控制与定位。另外，还需要及时排除调试中可能会遇到一些故障。通过对变频器及电动机参数的设定、接线及信号输入的检查，对故障现象进行分析，逐步找出故障原因并加以排除[4]。

　　（二）常见问题和解决方案

　　起重机电动机传动系统在调试电子变频器时，会遇到一些常见的故障。在启动电动机时，可能发生电动机不能启动或启动后又立即停机等故障。这种故障一般由电动机参数设定不当或输入信号受干扰所致。解决的办法就是检查并调试电动机的各项参数，如电压，频率，转矩等，确保与变频器设定相符。此外，对输入信号进行干扰检查，如信号线路接触不良、干扰源等，确保输入信号稳定。

　　在使用过程中，电机可能会产生振动、噪声等，会影响到系统的正常运转及工作环境。其原因可能是马达转子不平衡，马达安装松动，马达参数设定不正确等。解决办法是对电动机进行动平衡调试，保证电动机转子具有良好的平衡性；检查马达安装状况，将松动的零件拧紧；同时对电动机的参数进行了优化，使电动机的运行更加顺畅。

　　电机在运行过程中，存在着转速波动大的问题。其原因可能是电动机的控制参数设定不合理，负载变化幅度很大，或者电源电压不稳定。如此，则需要重新调整控制参数、优化转速及位置控制回路参数；同时，采取稳压措施，确保系统稳定运行。

　　当电动机运转时，过流保护可能被触发，使电动机停止运转。这通常是由于电动机负载过大，电动机线圈发热，或者变频器输出电流设定不当所致。解决办法是检查电动机负载状况，适当减载；加强对电动机的冷却措施，例如在电动机上增设通风设备或冷却设备；调节变频器输出电流限值，使其在安全范围内工作。

　　（三）调试工具和技术支持

　　为了更好地完成电子变频器的调试工作，适当的调试工具及技术支持显得尤为重要。变频器参数调试软件是一类专为电子变频器调试而开发的软件。此类软件具有丰富的参数设定与监测功能，可对电机运行状态进行实时监控，并对控制参数进行调整。利用此类软件，调试人员可方便地设定变频器的参数，实时监控，迅速查找故障点。信号发生装置是一种能产生多种电信号的装置。该信号发生器可用于电子变频器调试时模拟输入信号，并对其响应及性能进行验证。例如，通过调整信号发生器的频率、幅度等参数，能够模拟出不同工作状态下的输入信号，从而验证变频调速系统在不同负载、频率情况下的稳定性。电动机的故障检测与诊断，对电动机的电流、转速、温度等参数进行监控，并根据预先设定的故障特征，对故障进行诊断与报警[5]。利用故障诊断工具，可对电机驱动系统中出现的故障进行及时诊断与排除，从而提高系统运行的可靠性与稳定性。及时的技术支持对电子变频调速系统的调试至关重要。由供应商或厂商提供技术支持，可为调试人员提供专业指导及解决方案。技术支持团队具有丰富的经验，能够迅速发现故障，提出解决方案，保证了系统的正常运行。

　　结语

　　本文以起重机电机传动系统为例，探究了电子变频调速系统的性能优化及调试策略。未来，笔者将以此为基础，进一步探索更多的优化策略及调试方法，使其更可靠、更有效地应用于起重机电机传动系统，实现其高效、绿色、低成本的运行效果。

　　参考文献：

　　[1] 郑长明, 阳佳峰, 高昂, 等. 永磁同步电机长线变频驱动系统定频滑模预测电流控制[J]. 电工技术学报,2023,38(4):915-924.

　　[2] 夏彤. 大型轧钢机交交变频同步电机调速系统研究[D]. 重庆: 重庆大学,2006.

　　[3] 周芝峰, 周理. 直接转矩变频技术在起重机控制系统中的应用[J]. 电机与控制应用,2011,38(08):49-52.

　　[4] 牛建民. 变频器在塔式起重机上的应用研究[J]. 中国设备工程,2024(3):158-160.

　　[5] 王大伟, 尚坤坤, 刘玉龙. 起重机调速系统中的变频调速技术分析与研究[J]. 中国设备工程,2023(17):87-89.

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