定子調(diào)壓調(diào)速在橋式起重機起升機構(gòu)上的應(yīng)用

潘錦平 黃偉興

（廣東省韶關(guān)鋼鐵集團有限公司，廣東韶關(guān)512123）

0 引言

橋式起重機是橋架在高架軌道上運行的一種橋架型起重機，又稱天車或行車。它是使用范圍最廣、數(shù)量最多的一種起重機械，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、港口碼頭等場所。傳統(tǒng)橋式起重機起升機構(gòu)電氣控制一般采取電動機轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào)速，通過改變轉(zhuǎn)子回路外接電阻值來獲得不同轉(zhuǎn)速。但此種控制方式存在啟動時對機械沖擊大、控制精度低、可調(diào)速范圍小、故障率高等缺點，因此近年來逐漸被定子調(diào)壓調(diào)速控制和變頻調(diào)速控制系統(tǒng)代替。其中定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)是通過改變電動機定子電壓進(jìn)行小范圍調(diào)速，并配合在電動機轉(zhuǎn)子回路串接電阻增大調(diào)速范圍，啟動時既減少了對機械的沖擊，又能降低啟動電流，同時增大啟動轉(zhuǎn)矩，便于精確定位操作。

本文將深入地對橋式起重機起升機構(gòu)傳統(tǒng)調(diào)速控制方式與定子調(diào)壓調(diào)速控制方式的原理、優(yōu)缺點進(jìn)行比較和分析，并用實例證明，起升機構(gòu)使用調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)可靠性高、工作效率高、控制精度高。

1 基本原理

1.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速基本原理及優(yōu)缺點

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速原理：三相異步電動機轉(zhuǎn)子串入調(diào)速電阻，增大電動機的轉(zhuǎn)差率，使電動機可低速運行。串入的電阻阻值越大，電動機的轉(zhuǎn)速越低，屬于有級調(diào)速且機械特性偏軟。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，維修方便。

轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速缺點：調(diào)速變化為階梯式，對機械沖擊大，控制精度低，可調(diào)速范圍小，故障率高，低速機械特性軟，調(diào)速的平滑性較差。

1.2 定子調(diào)壓調(diào)速基本原理及優(yōu)缺點

定子調(diào)壓調(diào)速原理：通過控制定子回路晶閘管導(dǎo)通角來控制電動機定子電壓，改變電動機的驅(qū)動力矩及運行速度。為了增大調(diào)速范圍，同時降低定子電流，在調(diào)節(jié)電動機定子電壓的同時，通過電機轉(zhuǎn)子串接一定的電阻，再調(diào)節(jié)定子電壓可改變電動機的運行點，讓電動機的運行速度降低，達(dá)到調(diào)速的目的。電機轉(zhuǎn)速由主令控制器給定，通過速度及電流反饋實現(xiàn)閉環(huán)控制。

定子調(diào)壓調(diào)速優(yōu)點：維護(hù)簡單，成本較低，控制容易，可靠性高，調(diào)速的平滑性較好，電氣和機械沖擊均較小，故障率低。

定子調(diào)壓調(diào)速缺點：低速功耗較大，發(fā)熱量較大，需轉(zhuǎn)子串接電阻擴大調(diào)速范圍。

1.3 機械特性

1.3.1 三相異步電動機的固有機械特性

三相異步電動機的固有機械特性即自然機械特性，在不改變電源電壓、電源頻率及電動機參數(shù)時，電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系如圖1所示。它有如下特點：電動機制造完成后其Mmax、Sm就固定不變了，電動機的Me根據(jù)其通電持續(xù)率的不同而變化。從圖1可以看出，電動機有兩個不同的運行區(qū)域：在A～B段不穩(wěn)定運行區(qū)域，隨著轉(zhuǎn)速降低，電動機力矩反而下降了；在B～C段穩(wěn)定運行區(qū)域，隨著轉(zhuǎn)速降低，電動機力矩上升。通過上述分析得出以下結(jié)論：異步電動機固有機械特性不能直接用于驅(qū)動，異步電動機啟動時必須降低啟動電流，異步電動機必須運行于穩(wěn)定運行區(qū)域，為了到達(dá)使用要求，必須人為改變異步電動機的機械特性。

圖1 三相異步電動機固有機械特性

1.3.2 轉(zhuǎn)子回路串接對稱電阻的機械特性

由圖2可見，增加轉(zhuǎn)子調(diào)速電阻，可以改變Sm，改變啟動轉(zhuǎn)矩MQ，讓電動機工作在穩(wěn)定區(qū)域，降低電動機的啟動電流，但不能改變Mmax。

1.3.3 降低定子電壓的機械特性

由圖3可見，降低定子電壓，可以改變最大轉(zhuǎn)矩Mmax，改變啟動轉(zhuǎn)矩MQ，降低啟動電流，但不能改變Sm。需要注意的是，降低電動機定子電壓運行，如果負(fù)載保持不變，電動機電流將大于額定電流，電動機容易燒毀，且調(diào)速范圍較小，不能滿足工作需求。為了增大調(diào)速范圍，降低定子電流，在調(diào)節(jié)電動機定子電壓的同時，通過電機轉(zhuǎn)子串接一定的電阻，達(dá)到調(diào)速的目的。

電動機通過上述方式可以實現(xiàn)調(diào)速，但電動機機械特性太軟，在低速檔時定子電壓過低電動機容易出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)。為了解決這個問題，必須組成閉環(huán)調(diào)壓系統(tǒng)。

圖3 三相異步電機降低定子電壓的機械特性

1.4 閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速的基本工作原理

由圖4所示，主令信號、來自電流電壓變換及頻率電壓變換的信號經(jīng)過控制單元處理，通過移相觸發(fā)器形成觸發(fā)脈沖，控制晶閘管的導(dǎo)通角，達(dá)到控制定子電壓，從而控制電動機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的目的。

圖4 閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速原理

當(dāng)主令控制器置于低速檔位（1～3檔）時，轉(zhuǎn)子電阻串接在轉(zhuǎn)子回路中，電動機處于閉環(huán)狀態(tài)。當(dāng)主令控制器置于高速檔位（4檔）時，電機進(jìn)入開環(huán)工作狀態(tài)，兩個加速接觸器分別在轉(zhuǎn)速50%和75%時工作，分別將兩段轉(zhuǎn)子電阻切除，使得電動機平穩(wěn)過渡到全速狀態(tài)。當(dāng)主令控制器回到其他檔位時，兩個加速接觸器立即釋放，將所有轉(zhuǎn)子電阻串接在轉(zhuǎn)子回路中，同時電動機進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài)。

通過以上分析，我們可以知道定子調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)有以下特點：

（1）可以調(diào)節(jié)電動機的速度；

（2）串接轉(zhuǎn)子電阻后可以擴大調(diào)速范圍，降低電動機啟動電流，增大啟動轉(zhuǎn)矩；

（3）低速檔位時必須采用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)提高電動機機械特性的硬度。

2 實際應(yīng)用

作者工作單位橋式起重機起升機構(gòu)控制系統(tǒng)仍是使用傳統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，故障率高，且操作人員操作起升機構(gòu)時只要稍有不慎就會造成被吊物或設(shè)備設(shè)施的損壞，存在著較大的安全隱患，所以起升機構(gòu)的改造勢在必行。

2.1 調(diào)壓調(diào)速裝置安裝調(diào)試

通過相關(guān)技術(shù)人員的討論，決定先選定一臺橋式起重機起升機構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。經(jīng)過與相關(guān)技術(shù)人員的深入探討，出于經(jīng)濟性、通用性的考慮，最終決定使用上海某電氣有限公司生產(chǎn)的調(diào)壓調(diào)速裝置。安裝時間為共計10 h，安裝過程順利，未遇到任何技術(shù)問題，調(diào)試過程中各參數(shù)使用默認(rèn)值即可達(dá)到工作條件。

2.2 使用情況

經(jīng)過近5年的觀察使用，改造后起升機構(gòu)的平均故障率降低了9‰/年，故障時間減少了70 h/年，維修備件成本下降了80%，因起升機構(gòu)造成被吊物或現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施損壞的次數(shù)從3次/年降至0次/年?？梢姡ㄗ诱{(diào)壓調(diào)速比轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速更可靠、故障率更低、更容易操作等。此次起升機構(gòu)的改造達(dá)到了預(yù)想效果，今后將逐步推廣到其他天車上使用。

3 結(jié)語

本文結(jié)合本次橋式起重機起升機構(gòu)改造為調(diào)壓調(diào)速后的使用情況，著重講述了調(diào)壓調(diào)速裝置相比較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速的優(yōu)點。筆者認(rèn)為，隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，將來調(diào)壓調(diào)速控制將會更廣泛地應(yīng)用于橋式起重機的各個控制系統(tǒng)中，逐步淘汰落后的轉(zhuǎn)子切電阻調(diào)速，這樣可以讓設(shè)備的故障率更低、壽命更長，大大提高生產(chǎn)效率。

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[2]程憲平.機電傳動與控制[M].4版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2016.

[3]上海共久電氣有限公司.QY2T用戶手冊[Z].

[4]MH自動化國際公司.調(diào)壓調(diào)速原理簡介[Z].