一種新型起重機專用調(diào)速控制系統(tǒng)的研制*

楊曉兵，趙 斌

(1.新鄉(xiāng)市市政設(shè)計研究院，河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南機電高等?？茖W(xué)校，河南 新鄉(xiāng) 453000)

1 背景分析

起重機調(diào)速技術(shù)已有了較長的發(fā)展歷史，從直流調(diào)速到交流調(diào)速，從AC定子調(diào)速技術(shù)到DC晶閘管調(diào)速裝置。但這些技術(shù)都存在著元件易損、維修不便、設(shè)備沖擊大、調(diào)速范圍小等許多缺點。進入20世紀90年代以來，變頻調(diào)速技術(shù)的日臻成熟，以其調(diào)速范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便等優(yōu)點，開始在起重領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而變頻調(diào)速也存在相當(dāng)嚴重的缺點:過載能力低下、啟動性能差，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，致使其經(jīng)濟性很差［1］。

國內(nèi)目前在起重行業(yè)，對三相繞線式異步電動機常用的調(diào)速方式有轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速，晶閘管交流調(diào)壓調(diào)速，變頻調(diào)速等。轉(zhuǎn)子繞組串電阻調(diào)速是利用凸輪、鼓形開關(guān)控制器不對稱切除電阻，或用控制屏對稱切除電阻等方式實現(xiàn)的低調(diào)速控制系統(tǒng)［2］。其特點是:能耗大、調(diào)速比小，但系統(tǒng)簡單、價格低廉，是一種有效有級的低調(diào)速控制系統(tǒng)。但其機械特性較軟、效率低、速度不穩(wěn)、不能深調(diào)速。晶閘管調(diào)壓調(diào)速是靠改變晶閘管的移相角來改變電動機的電壓，從而達到調(diào)速目的。其特點是:價格適中，恒轉(zhuǎn)矩?zé)o級調(diào)速，但效率隨轉(zhuǎn)速下降而成比例下降。其調(diào)速比相對較低可達到10:1，使用長期工作制及要求平滑啟動、短時低速運行的場合。變頻調(diào)速特點:調(diào)速比大、性能穩(wěn)定、無級調(diào)速等優(yōu)點。但其電路復(fù)雜，價格昂貴［3］。

據(jù)以上幾種起重機調(diào)速器的特點、性能，我們在此設(shè)計了一種起重機專用的智能轉(zhuǎn)子高頻調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高調(diào)速比、低成本、高效率、線路簡單等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 控制系統(tǒng)工作原理［4］

起重機智能轉(zhuǎn)子高頻調(diào)速控制系統(tǒng)原理如圖1所示，其工作過程分析如下。起重機輕載啟動時，本系統(tǒng)不參與控制。在滿負荷啟動或高頻開關(guān)故障時，旁路開關(guān)自動閉合，開關(guān)在通斷直流電時容易產(chǎn)生弧光燒毀開關(guān)，旁路開關(guān)上安裝有直流開關(guān)滅弧電路。當(dāng)起重機在下降或制動狀態(tài)時，控制器發(fā)出指令:電源開關(guān)停止給電動機定子供電，同時直流電源給電動機定子一小電流的他勵勵磁電流，電動機定子相當(dāng)于一個電磁鐵，此時電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，切割定子磁場時，產(chǎn)生較大的電動勢，經(jīng)三相整流橋轉(zhuǎn)變成受控自勵直流電源，由高頻開關(guān)驅(qū)動電路驅(qū)動大功率高頻開關(guān)進行積分、微積分、閉環(huán)大功率脈寬調(diào)制信號(PWM)分析處理，實現(xiàn)無級平滑電機轉(zhuǎn)動調(diào)速，電動機轉(zhuǎn)動后轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)子頻率信號，經(jīng)轉(zhuǎn)子頻率整形電路處理后送控制器對電機轉(zhuǎn)速進行控制。轉(zhuǎn)子頻率信號經(jīng)整形處理電路后的工作波形如圖2所示。電動機靠切電阻調(diào)速工作，減少了啟動電流對高頻開關(guān)的沖擊，提高了起重機工作的可靠性。

圖1 起重機智能轉(zhuǎn)子高頻調(diào)速器工作原理圖

圖2 整形處理后的轉(zhuǎn)子工作波形

3 關(guān)鍵技術(shù)調(diào)試

起重機智能轉(zhuǎn)子高頻調(diào)速控制系統(tǒng)主要由大功率高頻開關(guān)的控制、驅(qū)動和保護，起重機轉(zhuǎn)子頻率采樣及轉(zhuǎn)換，大功率高頻開關(guān)對起重機電機調(diào)速控制等幾部分組成，對其中關(guān)鍵部分我們均已經(jīng)進行了分析調(diào)試。由于該系統(tǒng)涉及電路較多，涉及技術(shù)較多，在此對驅(qū)動電路及采樣波形進行分析。

該系統(tǒng)改進前后的大功率高頻開關(guān)驅(qū)動電路波形如圖3、圖4所示。

圖3 常用大功率高頻開關(guān)的驅(qū)動電路及波形

改進前，在高頻開關(guān)截止沿，有明顯的震蕩現(xiàn)象和反峰現(xiàn)象，此現(xiàn)象每個震蕩相當(dāng)于起重機的一次點動啟動，大功率高頻開關(guān)會發(fā)熱嚴重，反尖峰容易造成大功率高頻開關(guān)B極與E極擊穿現(xiàn)象。

圖4 改進后大功率高頻開關(guān)的驅(qū)動電路及波形

電路改進后GTR功率管MQ1基極到發(fā)射極增加電阻R201(1/4W 10Ω碳膜電阻)，基極到集電極增加二極管D19(MUR3060)GTR功率管MQ2基極到發(fā)射極增加電阻R202(1/4W 10Ω碳膜電阻)，基極到集電極增加二極管D20(MUR3060)的驅(qū)動波形見圖4。

圖中可見，GTR功率管工作基極反沖尖峰消失、且截止沿沒有了震蕩現(xiàn)象，功率管發(fā)熱量減弱，功率管B、E、PN皆工作在安全區(qū)。

整形處理前后的起重機轉(zhuǎn)子頻率采集信號波形如圖5、圖6所示。由圖中明顯看出整形后的波形平滑，起重機工作穩(wěn)定。

4 結(jié)論

采用該系統(tǒng)進行起重機調(diào)速控制，啟動平滑，啟動電流小，調(diào)速范圍寬，成本低，具有良好的啟動性能、穩(wěn)定調(diào)速性能、制動性能和實用性、經(jīng)濟性、控制技術(shù)性、環(huán)境適應(yīng)性、安全可靠性等各方面性能，能夠普遍地適用于各類用途的起重機，具有較大的推廣價值。

［1］李偉，李瑞華.起重機智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀與思考［J］.煤礦機械，2006，(8):3 －4.

［2］張啟君.中國工程起重機市場回顧及前景展望［J］.交通世界，2006，(1):62 －65.

［3］張玉之.變頻調(diào)速技術(shù)在起重機調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化工程，2009，(10):63 －64.

［4］王德偉.智能控制在橋式起重機上的研究及應(yīng)用［D］.武漢理工大學(xué)，2007.