李 濤，魯衛(wèi)濤，王振杰，張磊慶

（1.中國電力科學(xué)研究院 輸變電工程研究所，北京 100000；2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊，065000）

塔式起重機(jī)電能耗測試分析

李 濤1，魯衛(wèi)濤2，王振杰1，張磊慶2

（1.中國電力科學(xué)研究院 輸變電工程研究所，北京 100000；2.中國建筑科學(xué)研究院 建筑機(jī)械化研究分院，河北 廊坊，065000）

通過完成規(guī)定的測試流程和測試工況，對兩臺(tái)不同力矩的塔機(jī)電能耗進(jìn)行了測試，得到了塔機(jī)起升機(jī)構(gòu)的能耗數(shù)據(jù)，通過對比變極調(diào)速和變頻調(diào)速兩種方式在帶載起升、空載起升及空載下降過程中的能耗，分析了各自優(yōu)缺點(diǎn)，對塔機(jī)能耗測試有一定借鑒意義。

塔式起重機(jī)；電能耗；電機(jī)；調(diào)速；測試

塔式起重機(jī)（以下簡稱塔機(jī)）是完成將重物按照指定的方式進(jìn)行位移的機(jī)械設(shè)備。塔機(jī)的機(jī)械做功過程，是完成將重物按照指定的方式進(jìn)行位移的過程，是按照司機(jī)操作指令，由各執(zhí)行機(jī)構(gòu)共同配合控制完成規(guī)定動(dòng)作的過程。塔機(jī)進(jìn)行機(jī)械做功時(shí)必然要消耗一定的電能，因制造差異和使用過程中的不確定因素，要分析塔機(jī)完成規(guī)定動(dòng)作產(chǎn)生的能耗，是一個(gè)較為復(fù)雜的能耗綜合分析過程。

1 電能耗測試影響因素

塔機(jī)所選用的動(dòng)力單元絕大多數(shù)為電機(jī)拖動(dòng)的單元，因電機(jī)制造的固有差異和塔機(jī)自身的起重特性、結(jié)構(gòu)形式及所采取的調(diào)速控制方式各有不同。按照塔機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，其操作方式多采用多種方式結(jié)合控制的特點(diǎn)。因此，塔機(jī)完成規(guī)定工作，所產(chǎn)生的電能耗是一個(gè)復(fù)雜的電氣變化過程。

在塔機(jī)中應(yīng)用的電動(dòng)機(jī)，按照結(jié)構(gòu)形式主要可以劃分為鼠籠電機(jī)、繞線電機(jī)、力矩電機(jī)、變頻電機(jī)和直流電機(jī)等類別。根據(jù)塔機(jī)所采用的調(diào)速控制應(yīng)用的方式又可以大致分為變極調(diào)速、串電阻調(diào)速、自耦降壓調(diào)速、調(diào)壓調(diào)渦流調(diào)速、變頻調(diào)速和直流控制調(diào)速等方式。

電能耗（即耗電量）通常情況下是指電氣設(shè)備用電的視在功率，視在功率是電氣參數(shù)中的有功功率、無功功率和待機(jī)功率等參數(shù)值的總和。耗電量的物理計(jì)算公式為電壓、電流和時(shí)間的乘積，所以，其中任何一項(xiàng)或多項(xiàng)因數(shù)變化都會(huì)給最終的結(jié)果造成變化。在電機(jī)拖動(dòng)應(yīng)用的調(diào)速過程中，電機(jī)啟動(dòng)、加速和減速過程都會(huì)造成電壓、電流的跳躍性變化（如電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流是額定電流的5～7倍），這種變化會(huì)對最終的耗電量產(chǎn)生較大影響。

2 電能耗測試與分析

塔機(jī)在采用以上多種電機(jī)和多種調(diào)速方式相結(jié)合的控制方式下，它們的電能耗會(huì)產(chǎn)生什么差異呢？我們根據(jù)被測塔機(jī)的特性，采取了嚴(yán)格的測試流程和特定的測試工況，對不同力矩的行走動(dòng)臂式塔機(jī)進(jìn)行了測試。測試工況是塔機(jī)固定停在軌道某處，起吊砝碼（重物）為固定重量，起升高度和變幅距離按照測試工況設(shè)為固定行程，電能測試儀表為可記錄反向電功的電能表?，F(xiàn)將所測數(shù)據(jù)及能耗分析說明如下（因篇幅所限，僅以起升機(jī)構(gòu)測試進(jìn)行分析）。

2.1 STD31/12塔機(jī)的測試分析

測試塔機(jī)型號(hào)為STD31/12，最大起重量為8t，起重力矩為630kNm，結(jié)構(gòu)形式為動(dòng)臂式行走式，起升電機(jī)功率為14kW，采取的電控方式分別是起升、變幅和行走機(jī)構(gòu)為變極調(diào)速、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為調(diào)壓調(diào)渦流調(diào)速；砝碼重量為1.1t，高程20m。按照規(guī)定的測試工況，測得起升能耗數(shù)據(jù)，如表1。

表1 STD31/12塔機(jī)起升能耗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，分析如下。

塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)采取的是變極調(diào)速的方式，就是改變電機(jī)的極對數(shù)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速改變。這樣的調(diào)試方式是通過接觸器的配合切換完成電機(jī)不同的定子繞組分時(shí)通電，使電機(jī)的極對數(shù)改變來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這樣，在電機(jī)改變速度時(shí)，會(huì)造成電壓、電流的跳躍性變化，同時(shí)也使得電機(jī)耗電功率產(chǎn)生跳躍性變化。

帶載起升、空鉤起升和空鉤下降的耗電量幾乎隨時(shí)間呈單調(diào)性變化，是因?yàn)橹貜?fù)操作較為平穩(wěn)，變極調(diào)速電機(jī)在起升、下降過程中大部分時(shí)間是處于較為穩(wěn)定的加速和電氣制動(dòng)過程，依據(jù)變極調(diào)速的功率特性屬于正常的耗電變化。

帶載下降過程中，耗電量明顯低于其它的耗電量，是因電機(jī)被反拖后發(fā)電，電能回饋電網(wǎng)所致。變化規(guī)律應(yīng)呈現(xiàn)反比的變化規(guī)律，但所得數(shù)據(jù)并非如此。第一次帶載下降的耗電量明顯高于后兩次，究其原因：①人為造成，因操作司機(jī)在操作過程中進(jìn)行兩次換擋減速造成時(shí)間的增加，而換擋減速在變極調(diào)速中需要切換電機(jī)繞組，造成電壓、電流跳躍，使得耗電量值瞬時(shí)大幅增加；②因時(shí)間的增加，會(huì)更多地累計(jì)設(shè)備中待機(jī)耗電量，也造成最終的耗電量的增加。

2.2 S480LH24塔機(jī)的測試

測試塔機(jī)型號(hào)為S480LH24，最大起重量為24t，起重力矩為4800kNm，結(jié)構(gòu)形式為動(dòng)臂式行走式，起升電機(jī)功率為110kW（變頻電機(jī)），采取的電控方式分別是起升、變幅和行走機(jī)構(gòu)為變頻調(diào)速（無回饋）、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為調(diào)壓調(diào)渦流調(diào)速；砝碼重量為4t，高程30m。按照規(guī)定的測試工況，測得起升能耗數(shù)據(jù)，如表2。

表2 S480LH24塔機(jī)起升能耗測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，分析如下。

塔機(jī)的起升機(jī)構(gòu)采取的是變頻調(diào)速的方式，變頻調(diào)速的特點(diǎn)主要有降低電機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊、實(shí)時(shí)控制調(diào)整電機(jī)的給定頻率（旋轉(zhuǎn)頻率）、速度閉環(huán)控制和實(shí)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速滿扭矩輸出等。變頻調(diào)速控制中，幾乎可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在調(diào)速全過程不超過額度功率，只是在加速過程中會(huì)出現(xiàn)短暫的電壓、電流的小幅上升。

帶載上升過程中，第一次的用電量和后兩次比較，呈現(xiàn)與時(shí)間成反比的變化，即用時(shí)長而耗電量低了。出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)槠鹕龝r(shí)維持在低速運(yùn)行的時(shí)間比較長所致，因?yàn)樽冾l控制只要可以滿足實(shí)際輸出轉(zhuǎn)矩和功率，變頻器就可以控制電機(jī)在低功率、規(guī)定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行（即低功率運(yùn)行），這樣并不會(huì)造成的耗電量大幅增高，而遠(yuǎn)小于變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)加速時(shí)（電壓、電流同時(shí)上升）所消耗的電功率。所以，才呈現(xiàn)了第一次測試中的反比情況。

帶載下降過程中的耗電量并未出現(xiàn)像STD31/12塔機(jī)測試的耗電量急劇減小的情況，是因?yàn)榇俗冾l器沒有電能回饋電路，而是通過制動(dòng)電阻將該部分電能轉(zhuǎn)換成熱能消耗。另外，數(shù)據(jù)顯示耗電量隨著時(shí)間單調(diào)變化，系帶載下降過程中，電機(jī)幾乎沒有驅(qū)動(dòng)力，多數(shù)工作在能耗制動(dòng)狀態(tài)，所以時(shí)間的增加造成耗電量的增加是因?yàn)榇龣C(jī)損耗造成。

空鉤狀態(tài)的起升和下降無較大差異性變化，是因?yàn)殡姍C(jī)處于空載狀態(tài)，幾乎不需要大的啟動(dòng)電流就可以使得電機(jī)迅速達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速。造成耗電量變化的主要是電機(jī)的啟動(dòng)和加速過程產(chǎn)生的耗電量，以及待機(jī)耗電因時(shí)間的不同造成的微小差異。

3 結(jié) 語

就以上分析的塔機(jī)所應(yīng)用的電控調(diào)速方式來看，變極調(diào)速具有電路直觀易于維護(hù)、調(diào)速過程沖擊大、調(diào)速范圍小、轉(zhuǎn)矩小和機(jī)械性能差等特點(diǎn)，雖有再生能源回饋，但這樣的回饋是被電網(wǎng)被迫接收的，更多的是干擾了電網(wǎng)，能源利用微乎其微。變頻調(diào)速具有電路簡潔、調(diào)速過程穩(wěn)定且沖擊小、調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)矩大和可獲得良好的機(jī)械性能等特點(diǎn)，但增加了運(yùn)維的專業(yè)技能和特定情況下的運(yùn)維成本，以及再生能源沒有被利用的應(yīng)用缺陷。塔機(jī)還應(yīng)用了其它一些電控方式，這里不再一一闡述。

綜上所述，要測試分析塔機(jī)的能效，要綜合考慮塔機(jī)的結(jié)構(gòu)特性、機(jī)械特性、電氣控制特性和人為操作等多方面因素，且必須建立在固定測試程序和固定測試工況的基礎(chǔ)上實(shí)施測量，進(jìn)行綜合分析。

（編輯 張磊慶）

Analysis of tower crane electric power consumption

LI Tao， LU Wei-tao， WANG Zhen-jie， ZHANG Lei-qing

TH213.3；TH212

B

1001-1366（2015）08-0056-03

2015-06-15