定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)起升系統(tǒng)中的應(yīng)用

【摘 要】近幾年，在三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上取得了長(zhǎng)足發(fā)展，人們對(duì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法進(jìn)行了大量的研究。本文主要介紹了三相異步電機(jī)調(diào)速的基本方法，重點(diǎn)分析對(duì)比了轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速的基本原理和兩種調(diào)速方法的各自特點(diǎn)。并具體分析了起重機(jī)起升系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速功能的技術(shù)方案。

【關(guān)鍵詞】定子調(diào)壓調(diào)速 機(jī)械特性 串電阻 晶閘管

隨著大功率和高開(kāi)關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)研制成功，以及現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的普及應(yīng)用，對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制提供了新的方法。橋式起重機(jī)電機(jī)調(diào)速控制普便應(yīng)用三相繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方式，在近幾年定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)在起重機(jī)上得到了廣泛的應(yīng)用。下面介紹一下晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速的基本工作原理與特點(diǎn)。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速的基本方法

異步電機(jī)的調(diào)速方法有不少，根據(jù)異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：

n=n1（1-S）=60f1/（1-S） （1）

式（1）中n1為同步轉(zhuǎn)速（r/min）；f1為定子頻率，也就是電源頻率（Hz）；p為磁極對(duì)數(shù)。由此可知，異步電動(dòng)機(jī)有以下三種基本調(diào)速方法：改變定子極對(duì)數(shù)p調(diào)速；改變電源頻率f1調(diào)速；改變轉(zhuǎn)差率s調(diào)速。

2 調(diào)壓調(diào)速的簡(jiǎn)介

根據(jù)電機(jī)拖動(dòng)的原理，當(dāng)異步電機(jī)在其等效電路的參數(shù)不變情況下，轉(zhuǎn)速不變，電磁轉(zhuǎn)矩與其定子電壓的平方成正比，因此，改變定子電壓就可以改變其機(jī)械特性，從而使電機(jī)在負(fù)載一定時(shí)轉(zhuǎn)速可調(diào)。當(dāng)電機(jī)的定子電壓改變時(shí)，可以得到一組不同的機(jī)械特性曲線，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，當(dāng)定子電壓很低時(shí)，其轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，使電機(jī)速度調(diào)整范圍較小，為提高電機(jī)調(diào)速范圍，普遍采用在繞線式電機(jī)的轉(zhuǎn)子上串電阻的方法。并且為了保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，一般采用速度反饋控制以自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速裝置目前常用晶閘管調(diào)壓的方式，目前較為廣泛地應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速。其機(jī)械特性如圖1所示。由圖可以看出，隨著定子電壓的降低，機(jī)械特性變軟，而且最大轉(zhuǎn)矩也減小很多，這樣就降低了電機(jī)的過(guò)載能力。若負(fù)載稍有波動(dòng)，電機(jī)就可能停轉(zhuǎn)。因此對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其調(diào)速范圍很小。但？在低速時(shí)磁通量較小，會(huì)使轉(zhuǎn)子電流較大，電機(jī)發(fā)熱問(wèn)題就會(huì)變得嚴(yán)重。

為了克服上述調(diào)壓調(diào)速中存在的問(wèn)題，通常采用以下方法。

（1） 采用轉(zhuǎn)子電阻較大的高轉(zhuǎn)差率籠型電動(dòng)機(jī)、實(shí)心轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)或雙層轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)，以獲得較寬的調(diào)速范圍。（2）采用轉(zhuǎn)子串電阻和速度負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。

（2）

3 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速

3.1 調(diào)壓調(diào)速基本原理

異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：

T=（3pU12r2/s）/2π？1[（r1+r2/s）2+（x1+x2）2] （2）

式（2）中r1、r2為定轉(zhuǎn)子電阻；x1、x2為定轉(zhuǎn)子阻抗。由公式可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)各參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，且當(dāng)轉(zhuǎn)差率s一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與電機(jī)的定子電壓U1成正比。改變其定子電壓，就得到其機(jī)械特性曲線，如圖2所示：

由圖2可知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定的情況下，降低電機(jī)定子電壓可以實(shí)現(xiàn)其低速運(yùn)轉(zhuǎn)。但此時(shí)轉(zhuǎn)差率s將增大，電機(jī)電流也會(huì)隨之增大。電機(jī)轉(zhuǎn)差功耗全部消耗在電機(jī)內(nèi)部，致使電機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱。另外，在電機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL？時(shí)，普通的鼠籠式異步電機(jī)在改變定子電壓時(shí)，它的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍在0～sm，電機(jī)的調(diào)速范圍很小。為了擴(kuò)大電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)的調(diào)速范圍，保證電機(jī)低速時(shí)的穩(wěn)定性，同時(shí)又不致過(guò)熱，就要使電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的阻值，增大電機(jī)的調(diào)速范圍。

晶閘管定子的調(diào)壓調(diào)速裝置，是將三個(gè)反并聯(lián)晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間，通過(guò)調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角的大小來(lái)調(diào)節(jié)加到定子繞組兩端的端電壓完成調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。但這種調(diào)壓調(diào)速是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動(dòng)率大。為了提高其調(diào)速性能可采用速度閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)，提高機(jī)械特性的硬度，減小速度的波動(dòng)。閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程：當(dāng)電機(jī)在要求的速度下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載增大時(shí)使電機(jī)速度降低，相應(yīng)的速度反饋值也隨之降低，在系統(tǒng)速度給定不變的情況下，速度調(diào)節(jié)器的輸入會(huì)隨著速度反饋的下降而增大，速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器控制晶閘管的導(dǎo)通角，提高其輸出電壓，即提高電機(jī)的定子電壓，電機(jī)力矩同時(shí)增大，使電機(jī)加速運(yùn)行，當(dāng)速度調(diào)節(jié)至給定值時(shí)，速度調(diào)節(jié)器輸出值不再變化，晶閘管導(dǎo)通角也不再變化，保持輸出電壓一定，使電機(jī)輸出力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)在給定速度下穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速特性

定子晶閘管調(diào)壓調(diào)速閉環(huán)系統(tǒng)已在近年得到較廣泛的使用。專用于起重機(jī)提升系統(tǒng)的調(diào)速裝置具有以下特點(diǎn)。

（1）調(diào)壓調(diào)速裝置的參數(shù)設(shè)置簡(jiǎn)單，直觀明了，只需要設(shè)置電機(jī)參數(shù)和互感器變比，以及檔速給定值等基本參數(shù)即可正常工作。（2）起升系統(tǒng)正反向切換仍由交流接觸器控制，避免了環(huán)流的發(fā)生，并且接觸器是在無(wú)電壓無(wú)電流的情況下進(jìn)行切換的，這樣大幅提升了接觸器的使用壽命，并且易于故障處理。（3）調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制，采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率反饋進(jìn)行測(cè)速，降低了改造難度，也減少了使用故障，使調(diào)速比能夠達(dá)到1：10。

3.3 用于起升機(jī)構(gòu)控制邏輯功能簡(jiǎn)介

（1）電源斷路器1Q1用于對(duì)主起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)及調(diào)壓調(diào)速裝置提供短路及過(guò)載保護(hù)。（2）定子調(diào)壓調(diào)速裝置是一個(gè)速度閉環(huán)的數(shù)字式交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率作為速度反饋信號(hào)。當(dāng)設(shè)定電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定速度上。由于是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所以，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，速度波動(dòng)率很小。（3）正、反向接觸器1KM1與1KM2用于控制電機(jī)的運(yùn)行方向，由調(diào)速裝置進(jìn)行控制，其動(dòng)作順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)，正向接觸器1KM1吸合，電動(dòng)機(jī)施加正向相序電壓，使電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)正向起升。上升1、2、3擋為低速調(diào)速擋，速度分別設(shè)定為10%、20%、30%，上升4擋為全速擋，此時(shí)調(diào)速裝置輸出全電壓，電動(dòng)機(jī)以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。機(jī)構(gòu)在1—3擋下降運(yùn)行時(shí)，正向接觸器1KM1首先吸合，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，靠負(fù)載拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行，使機(jī)構(gòu)低速運(yùn)行。當(dāng)?shù)踹\(yùn)負(fù)載無(wú)法拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行時(shí)，在1.5s內(nèi)，仍未檢測(cè)到機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，就自動(dòng)判斷負(fù)荷為輕載，控制反向接觸器1KM2吸合，讓電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到設(shè)定速度。下降4擋時(shí)，反向接觸器1KM2吸合，電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)重載時(shí)，電機(jī)速度超過(guò)其同步速度時(shí)電機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)由下降4擋回到下降1-3擋時(shí)，調(diào)速裝置自動(dòng)切換正反向接觸器，在無(wú)電流的情況下釋放1KM2，使1KM1吸合，電機(jī)迅速反接制動(dòng)，起升機(jī)構(gòu)進(jìn)入下降低速狀態(tài)。（4）在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上串接了電阻，來(lái)消耗電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的熱能，共四段電阻器，分別由轉(zhuǎn)子接觸器1KM40、1KM41、1KM42控制。上升調(diào)速擋時(shí)，1KM40吸合切除最后一段電阻，提高電機(jī)啟動(dòng)力矩。在上升4擋時(shí)，調(diào)速裝置？控制轉(zhuǎn)子接觸器1KM41、1KM42分別在50%，75%速度下閉合，依次切除第二、第三段電阻，使電機(jī)平滑過(guò)渡到全速，同時(shí)穩(wěn)定了切換電流。下降1-3擋時(shí)，為了降低電機(jī)電流，并使下降4擋回到下降1-3擋時(shí)，保證足夠的切換力矩，增加了最后一段常加電阻，四段電阻全部串聯(lián)到轉(zhuǎn)子上。當(dāng)下降4擋時(shí)，調(diào)速裝置控制轉(zhuǎn)子接觸器1KM41、1KM42分別在50%，75%速度下閉合，依次切除第二、第三段電阻，使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)時(shí)速度限制在允許范圍內(nèi)。（5）控制電路中還具有零位、失壓、超速、超載、限位等保護(hù)功能。

4 結(jié)語(yǔ)

目前我部鑄造起重機(jī)起升系統(tǒng)全部應(yīng)用定子調(diào)壓調(diào)速裝置，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低，設(shè)備維護(hù)工作量小，設(shè)備成本投入少，并且能夠有效地降低起重機(jī)的機(jī)械沖擊，從而使起重機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、安全可靠。

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作者簡(jiǎn)介：溫海山（1975—），男，河北唐山人，本科，工程師，研究方向：電氣自動(dòng)控制。