剛性聯(lián)接的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備電流調(diào)整

徐立成

作者通聯(lián)：上海船廠船舶有限公司生產(chǎn)保障部 上海市崇明縣江海公路1號(hào) 202164

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大型設(shè)備多采用兩臺(tái)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)多數(shù)為剛性聯(lián)接，即兩臺(tái)電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)1個(gè)變速機(jī)構(gòu)。這種機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速完全相同，但普遍存在兩臺(tái)電機(jī)的出力和電流不相同的現(xiàn)象，有時(shí)相差很大，調(diào)整也有一定難度。下面以上海船廠船舶有限公司設(shè)備為例，分析不同類型電機(jī)的雙機(jī)驅(qū)動(dòng)中電流差異大的原因，介紹調(diào)整原理和方法。

一、直流電機(jī)剛性聯(lián)接的雙機(jī)驅(qū)動(dòng)

直流電機(jī)過(guò)載能力較強(qiáng)，調(diào)速方便，線路相對(duì)簡(jiǎn)單，以往大型設(shè)備廣泛采用兩臺(tái)直流電機(jī)剛性聯(lián)接驅(qū)動(dòng)。公司100t、80t 門座式起重機(jī)的主鉤機(jī)械傳動(dòng)采用這種類型。100t 門機(jī)主鉤電機(jī)型號(hào)為ZZ-62，電壓DC 220V，電流234A，功率46kW，額定轉(zhuǎn)速580r/min，勵(lì)磁電流6A。2005年門機(jī)由浦東搬至崇明，經(jīng)過(guò)安裝大修，試車時(shí)發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)主鉤電機(jī)（設(shè)定左機(jī)為MA、右機(jī)為MB）并舉時(shí)的電樞電流相差很大。雙機(jī)并舉吊重起升時(shí)，MA的各擋電樞電流遠(yuǎn)大于MB的電樞電流，下降時(shí)正好相反。當(dāng)時(shí)測(cè)量第三擋起升電流（聯(lián)動(dòng)臺(tái)上設(shè)有電樞電流表），左機(jī)IA為300A，右機(jī)IB為60A，顯然左機(jī)已嚴(yán)重超載，右機(jī)卻輕載。

根據(jù)設(shè)備電氣原理圖可知，雙機(jī)電樞共用一臺(tái)直流電源，主鉤調(diào)速為調(diào)壓調(diào)速，通過(guò)主令開(kāi)關(guān)操縱各擋變壓器電源（每擋變壓器電源輸出AC 66V），使整流合成后的直流電壓分為高低五擋。左右兩臺(tái)直流電機(jī)的勵(lì)磁供電DC 220V 各自獨(dú)立。設(shè)備在制造配置直流電機(jī)時(shí)不僅保證電機(jī)型號(hào)相同，而且為同一廠家的同一批次產(chǎn)品，盡量使兩臺(tái)電機(jī)在參數(shù)性能上對(duì)稱。

直流電機(jī)的主磁極材料、導(dǎo)磁率μ和氣隙δ 對(duì)磁通Φ 影響很大。電機(jī)長(zhǎng)期使用，經(jīng)過(guò)大修解體裝卸、振動(dòng)、溫度等因素影響了μ和δ，導(dǎo)致磁阻發(fā)生變化。這樣相同的勵(lì)磁電流會(huì)產(chǎn)生不同的Φ，因此兩臺(tái)電機(jī)的電樞電流產(chǎn)生很大差異。從直流電機(jī)的基本原理進(jìn)行分析，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程n=U/（CeΦ）-IR/（CeΦ）。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)的磁通￠不等時(shí)，它們的理想空載轉(zhuǎn)速nA0、nB0和轉(zhuǎn)速特性曲線也不一致（圖1），ΦB＞ΦA(chǔ)，因此nB0＜nA0，MA的斜率大于MB的斜率，即R/（CeΦA(chǔ)）＞R/（CeΦB）。

圖1 磁通不等時(shí)兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性

由于兩臺(tái)電機(jī)剛性聯(lián)接，因此轉(zhuǎn)速n1相同，兩臺(tái)電機(jī)分別運(yùn)行在A 點(diǎn)和B 點(diǎn)，IA1＞IB1。在外加電壓相同的條件下，吊重上升時(shí)MA 出力大于MB 出力，電樞電流相差很大。在吊重下降時(shí)兩臺(tái)電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，主回路見(jiàn)圖2，其中U為有級(jí)可調(diào)整流電源，共分為五擋，MA、MB為直流電機(jī)，4rd為鉤子下降制動(dòng)電阻，4JA11為下降制動(dòng)接觸器。當(dāng)鉤子上升時(shí)4JA11 吸合，斷開(kāi)制動(dòng)電阻，鉤子按上升擋位正常速度上升；空鉤下降時(shí)，腳踏開(kāi)關(guān)控制4JA11 吸合，這時(shí)沒(méi)有制動(dòng)，空鉤快速下降；當(dāng)鉤子吊重下降時(shí)，4JA11 失電，4rd和電機(jī)電樞并聯(lián)，兩臺(tái)電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，鉤子重物勻速下降，下降速度受到限制。圖2 右側(cè)是鉤子重物制動(dòng)下降時(shí)的簡(jiǎn)化電路，重物勢(shì)能通過(guò)MA、MB 發(fā)電并和4rd 構(gòu)成閉合回路。電源U 是二極管整流裝置，具有單向?qū)щ娦阅?，此時(shí)沒(méi)有電流通過(guò)，兩臺(tái)電機(jī)的反電勢(shì)分別為EA=CeΦA(chǔ)n，EB=CeΦBn，ΦB＞ΦA(chǔ)，因此EB＞EA，IA2＜IB2。這就造成重物下降時(shí)兩臺(tái)電機(jī)的電流關(guān)系正好和吊重上升時(shí)相反。

圖2 電機(jī)發(fā)電制動(dòng)主回路

根據(jù)以上分析，只要改變電機(jī)的磁通Φ，便可改變電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和斜率，從而使兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速特性接近，使它們的出力和電樞電流接近。為避免主磁極磁通趨于飽和，具體采用減小勵(lì)磁電流的辦法，改變磁通量Φ。該例中，減小MB的勵(lì)磁電流IfB，即逐步增大串接于MB 勵(lì)磁回路中的電阻RfB，使MB的理想空載轉(zhuǎn)速nB0升高，向MA的理想空載轉(zhuǎn)速nA0靠近，這樣減小了兩條曲線的差異。經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，兩臺(tái)電機(jī)出力基本平衡，電樞電流相互接近，一般電流的差異控制在10%以內(nèi)。

二、交流異步電機(jī)剛性聯(lián)接的雙機(jī)驅(qū)動(dòng)

1.三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的剛性聯(lián)接

老式起重設(shè)備都使用三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)，其轉(zhuǎn)子回路中串接電阻實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和調(diào)速。船臺(tái)兩側(cè)的120t 門機(jī)主鉤采用兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)，要求兩臺(tái)電機(jī)型號(hào)相同，但不一定是同廠家、同批次產(chǎn)品。電機(jī)型號(hào)為YZR315-8、75kW，額定轉(zhuǎn)速725r/min，額定轉(zhuǎn)差率SN=0.0333。120t 門機(jī)主鉤電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻電路見(jiàn)圖3，電阻器型號(hào)RS54-315M-8/12J，三相對(duì)稱電阻，每相5 段，電阻器具有抽頭，供調(diào)整時(shí)使用。繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的機(jī)械特性由其轉(zhuǎn)子回路電阻值決定。同一型號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻值不可能完全相同，因此機(jī)械特性不可能完全一樣。這樣在雙機(jī)并舉吊重中，它們出力不可能相等。圖4為兩臺(tái)繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)A和B的機(jī)械特性曲線，它們的轉(zhuǎn)子回路電阻值分別為rA和rB，rB＞rA，電機(jī)A的機(jī)械特性較硬，曲線斜率較小。兩電機(jī)并舉吊重上升時(shí)，轉(zhuǎn)速為n1，電機(jī)A和B 分別工作在a、b 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)矩為T1、T2，且T1＞T2。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與其電樞電流成正比，因此雙機(jī)吊重上升時(shí)，電機(jī)A的電流大于電機(jī)B的電流。當(dāng)雙機(jī)吊重下降時(shí)，在重物作用下電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)械特性曲線延伸至第四象限，此時(shí)轉(zhuǎn)速為n2，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速反向，電磁轉(zhuǎn)矩分別為T3、T4，且T3＜T4，即電機(jī)A的電流小于電機(jī)B的電流。從圖4 可知轉(zhuǎn)子回路電阻值小的電機(jī)機(jī)械特性較硬，在雙機(jī)吊重上升時(shí)它的電流較大，在重物下降發(fā)電制動(dòng)時(shí)它的電流較小。

鉤子雙機(jī)并舉時(shí)，當(dāng)剛性聯(lián)接的三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)電流明顯不同時(shí)，為使兩臺(tái)電機(jī)電流接近，可人為調(diào)整它們的機(jī)械特性：①增加機(jī)械特性較硬的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電阻值（該例中R11、R21和R31），降低其特性硬度，減小其電流；②或減小機(jī)械特性較軟的電機(jī)轉(zhuǎn)子回路電阻值，提高其特性硬度，增大其電流。

2.三相變頻電機(jī)剛性聯(lián)接

公司近年來(lái)新置設(shè)備中都應(yīng)用變頻調(diào)速，其中大型設(shè)備也采用雙機(jī)剛性聯(lián)接。7 萬(wàn)t 船臺(tái)兩側(cè)自制的150t 門機(jī)（2號(hào)車）的主鉤采用兩臺(tái)變頻電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)。變頻電機(jī)型號(hào)為YZP315M2-8，110kW，50Hz，380V，220A；變頻器為安川CIMR-G7B型電流矢量控制通用變頻器，功率160kW，電流302A。2004年6月，該門機(jī)試運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)雙機(jī)并舉吊重時(shí)，主鉤兩臺(tái)變頻電機(jī)電流不平衡。當(dāng)時(shí)雙機(jī)并舉變頻器設(shè)置為速度/力矩控制，即電機(jī)A為主機(jī)，其變頻器A為速度控制；電機(jī)B為從機(jī)，其變頻器B為力矩控制。變頻器A 輸出力矩信號(hào)，經(jīng)通信電纜施加于變頻器B，這樣主機(jī)控制從機(jī)的輸出力矩。由于通信需要約30～50ms 時(shí)間，因此從機(jī)永遠(yuǎn)落后于主機(jī)。為此，將雙機(jī)并舉時(shí)的控制方式改為雙機(jī)速度控制，即兩臺(tái)變頻器同時(shí)接受PLC 速度控制，沒(méi)有主從之分，表1 是兩臺(tái)電機(jī)在吊重升降時(shí)的電流值（雙機(jī)并舉）。分析表1 數(shù)據(jù)得出：①兩臺(tái)電機(jī)并舉吊重升降時(shí)各擋電流差的絕對(duì)值大于30%。②吊重上升時(shí)電機(jī)A 電流大，下降時(shí)電機(jī)A 電流小。

圖3 120t 門機(jī)主鉤電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻電路

圖4 繞線轉(zhuǎn)子電機(jī)機(jī)械特性曲線

表1 DROOP 關(guān)閉時(shí)雙機(jī)并舉電流值

A、B 兩臺(tái)電機(jī)的電流相差30%以上，降低了出力大電機(jī)的超載能力，嚴(yán)重影響該門機(jī)正常工作。b7-01 是DROOP Quantity（下垂量）控制功能，可任意設(shè)定電機(jī)滑差量S。在變頻器輸出最高頻率（100Hz）時(shí)，額定轉(zhuǎn)矩下，速度指令值和實(shí)際轉(zhuǎn)速值差值（滑差量）的百分?jǐn)?shù)為b7-01 設(shè)置值。出廠設(shè)定b7-01為0.0%，這時(shí)DROOP 控制功能不工作，處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)按照其固有特性曲線運(yùn)行，其滑差率為固有滑差率。b7-01的設(shè)置值范圍是0.0%～100%，對(duì)應(yīng)的理論轉(zhuǎn)速值見(jiàn)表2，當(dāng)指令頻率不變時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速隨著b7-01 增大而減小，電機(jī)機(jī)械特性變軟。b7-01 設(shè)置值越大，兩臺(tái)電機(jī)的特性曲線越靠近，出力更接近，即設(shè)置b7-01 非零值后（打開(kāi)DROOP 功能）可縮小兩臺(tái)電機(jī)出力差值。為防止電機(jī)機(jī)械特性太軟而吊不起額定噸位工件，b7-01 參數(shù)設(shè)置不能太大。兼顧出力平衡和機(jī)械特性硬度，最終選擇b7-01為3%，吊重時(shí)測(cè)試電機(jī)電流值（表3），兩臺(tái)電機(jī)電流差值明顯減小。

表2 實(shí)際轉(zhuǎn)速和b7-01 設(shè)置值關(guān)系

表3 DROOP 開(kāi)啟時(shí)雙機(jī)并舉電流值

變頻電機(jī)雙機(jī)并舉吊重上升和下降時(shí)的電流差異情況和三相繞線轉(zhuǎn)子異步電機(jī)相似，吊重上升時(shí)機(jī)械特性較硬的電機(jī)電流較大；重物下降時(shí)電機(jī)處于發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，機(jī)械特性較軟的電機(jī)電流較大。

三、結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)在剛性聯(lián)接條件下，由于固有機(jī)械特性不同，雙機(jī)驅(qū)動(dòng)普遍存在出力不均等問(wèn)題。修改一些參數(shù)，人為改變機(jī)械特性可縮小這種差異，實(shí)際上這是損失了部分機(jī)械特性硬度，使它的機(jī)械特性變軟。因此調(diào)試中既要考慮兩臺(tái)電機(jī)出力平衡，也要顧及其機(jī)械特性硬度，沒(méi)有必要追求兩臺(tái)電機(jī)的電流值完全相等，一般將兩臺(tái)電機(jī)的電流之差控制在10%以內(nèi)即可滿足運(yùn)行要求。