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1、 1 / 9基频制变频电机在起重机上的应用摘 要：国内基极制变频电机由于最高频率的限制，为获得较高的调速范围，满载工作时电机常处于基频点以下，造成了容量的浪费。本文介绍了基频制变频电机的特点，通过与基极制电机的计算对比，介绍了基频制变频电机在起重机上应用的优势。关键词：起重机；变频；基频制为提高起重机作业的效率，工艺上经常会要求起升机构能按照不同载荷提供不同的起升速度。对于这种使用场合，为满足低速段的恒转矩要求和高速运转区的宽频要求，通常在基极制变频电机中只能选择大功率电机，导致其在输出同等有功功率的前提下，产生了大量的无功电流，因此运行效率低、变频器容量被放大，机构装机容量加大。此时采用基频
2、制方案将会获得更多的节能降本的解决方案。本文介绍了基于 FBP 基频制电机的设计原理、产品特点及实际应用案例，提出了优化的解决方案。1 FBP 设计原理及变频电机的特点FBP 设计原理Frequency-Base Principle Design method，即，采用现代变频技术之基频制电机设计原理。采用基本极不变，改变基本频率的方案。基频制 4 极取代基极制 6、8、10 以上极数的变频电机方案，可实现节能和降低变频器容量的特点。由于 4 极电机具有比 6、8、10 等极数的电机更优良的功效，即功率因数和效率高，所以电流小，一方面可以实现节能，另一方面，也可以实现变频器同功率驱动（通常情况
3、下，6 极以上的电机都需要放大一档变频器 2 / 9容量进行配置），而且转速越低，节能效果越显著。采用 FBP 基频制设计原理制造的系列变频电动机，与传统的变频电动机相比，有更大的选择空间：1) 基本速度覆盖从450r/min；600r/min；750r/min ；1000r/min；1500r/min；3000r/min 六档，其中，最低调速点在 10r/min 以内，最高调速点可达到 8000r/min。2) 机座号从 80 至 355，共 12 档；功率覆盖从 0.55KW 到315KW，可满足大多数轻工、重工业机器的不同需求。安装尺寸符合 IEC 标准，与标准电机具备互换性。在适当的场
4、合，可取代传统的机械增、减速机构而变成电机直接驱动系统，这样可以降低系统成本、降低机器噪音及实现免维护运行，尤其对于一些要求静音、免维护、低成本的场合，更适合使用。2 基频、基极制变频电机特性比较以25Hz4P基频制22KW变频电机与50Hz8P基极制22KW变频电机为例：1) 从特性而言：25HZ4P变频电机与50H8P变频电机在同一功率下转矩特性（转矩/转速曲线）相同。2) 从电机特性而言：25HZ4P变频电机比50HZ8P变频电机的效率要高10%以上。 3 / 93) 从变频器的匹配而言：变频器在建立数学模型时，是基于4P电机的数学模型，使用8P电机时需要提高12档才能使用。4) 从异步
5、电机转矩/速度，功率/速度曲线对比=9550异步电机在Ne下， T保持恒定；异步电机在Ne上， P保持恒定。则Ne以下 ， T=Te。在Ne以上，P保持恒定，速度相同时，25Hz基频制电机与50Hz基极制电机转矩仍相同， 。25=508P变频电机的调速特性不如4P变频电机的调速范围广，50Hz-8P电机调速至3000转需200Hz，25Hz-4P电机调速至3000转需100Hz即可，这样对于矽钢片的损耗，4P变频电机要好于8P变频电机，此时，如还需要电机转速上升，25Hz-4P变频电机很容易实现，而50Hz-8P变频电机则需要超过200Hz，由于高次谐波的出现对于电机的性能影响很大。3 20H
6、z-4P 变频电机在起重行业中的应用案例某项目 40t 起重机的主起升参数如下，起升机构根据载荷的不同有三种速度要求。3.1 起升机构的主要技术参数 1) 额定起重能力： 40t；2) 起升高度： 30m； 4 / 93) 起升速度：空载时：30m/min；20t 以下载荷：20m/min；20t 以上载荷：10m/min；4) 机构工作级别名称 利用等级 荷载状态 工作级别起升 T7 L2 M75) 电压: 380V 50Hz，三相四线制(三相+PE)3.2 选用基极制电机计算按额定起重量 40t 及 10m/min 的起升速度计算电机需用的静功率：=(+)1000=(40+3.25)100
7、09.81010000.960=78.49其中：V起升速度（m/s）Q起重量（t）Gd吊钩组重量（t）机构总效率 初选电动机 YZP315L-10，功率 110KW、转速 592r/min、额定转矩 1774Nm、转动惯量 11.6kgm。电动机额定电压为 380V，变频范围 1100Hz，其中 150Hz 为恒转矩调速， 50100Hz 为恒功率调速。 5 / 9因所选电动机变频范围 1100Hz，考虑安全边界，最大运行频率设置在 90Hz，此时对应的起升速度是 30m/min，那么按照起升40t 载荷时 10m/min 起升速度，电动机的工作频率在 30Hz，需验证初选电动机在 30Hz
8、时输出功率是否满足静功率要求。30=309550=35=66其中：P 3030Hz 时电动机的允许输出功率（KW）M电机额定转矩（Nm）Pe电机额定功率（KW ） 由以上计算可以看出，电机工作在 30Hz 时允许输出的功率小于静功率，因此初选电动机容量不足。重新选择电动机 YZR355M2-10 功率 160KW、转速 593r/min、额定转矩 2576Nm、转动惯量14.9kgm2。30=309550=35=96满足静功率 78.49KW 要求。由此可见，选用基极制变频电动机时电机的功率没有有效利用，与负载要求的功率、速度匹配性较差，起升机构工作时的功率曲线和转矩曲线如图 1 所示。 6
9、/ 9转矩曲线 10 5 0Mf1 0恒功率区段0 . 3 7 0 . 40 . 6 7 0 . 813 0恒转矩区段A1 0 06 0BCA 额载工作点B 2 0 t 载荷工作点C 空载工作点功率曲线 10 5 0Pf恒功率区段P n3 0恒转矩区段A1 0 06 0B CA 额载工作点B 2 0 t 载荷工作点C 空载工作点 7 / 93.3 选用基频制电机计算按照静功率 78.49KW、电机速度 593r/min，对应选择基频制电机 VFG315L1-600-110，额定功率 110KW，额定转矩 1795Nm，基准转速 600r/min，转动惯量为 8.622kgm2，基本频率为 20
10、Hz，转矩曲线和功率曲线如图 2 所示。A 点为载荷 40t、起升速度 10m/min 的工作点，负载转矩为：=2=(40+3.25)10009.80.8282438.50.9=1266验算电动机产生转矩的最低要求：1.41.41266=1772满足设计规范电动机额定转矩大于最低转矩的要求。B 点为载荷 20t、起升速度 20m/min 工作点，由式可知负载转矩为 680.59Nm，电动机输出频率 40Hz，输出转矩为：40=955040=9550 1104020600=875B 点负载转矩由前式计算为 680.59Nm，电动机的允许输出转矩 8 / 9大于负载转矩，满足要求。C 点为空载、起
11、升速度 30m/min 工作点，采用相同计算方法，结果满足驱动要求。转矩曲线 20 4 0Mf1 0恒功率区段0 . 512 0恒转矩区段A1 0 06 0BCA 额载工作点B 2 0 t 载荷工作点C 空载工作点4 结论从以上计算、选型可以看出，在同样的负载驱动要求下，选用基频制电机比选用基极制电机的功率要小两档，基频制电动机与负载特性有较好的匹配性，电动机功率降低后空载损耗下降，驱动系统的效率明显提高。驱动系统的控制变频器功率也相应减少，节省了系统的投资，有一定的推广使用价值，随着变频控制技术的成熟化和变频器制造成本的日趋下降，以“变频器+变频感应电动机”的调速方案将成为驱动机器变速的主流动力方案，基频制电动机以其 9 / 9特有的优势将会得到更加广泛的应用。参考文献1王金诺，张质文，等。起重机设计手册.北京：中国铁道出版社 M，2013.2 GB/T3811-2008 起重机设计规范S
