定子調壓調速技術在起重機起升系統中的應用

【摘 要】近幾年，在三相異步電動機的調速和轉矩控制上取得了長足發展，人們對電動機的調速方法進行了大量的研究。本文主要介紹了三相異步電機調速的基本方法，重點分析對比了轉子串電阻調速和晶閘管定子調壓調速的基本原理和兩種調速方法的各自特點。并具體分析了起重機起升系統調壓調速功能的技術方案。

【關鍵詞】定子調壓調速 機械特性 串電阻 晶閘管

隨著大功率和高開關頻率的半導體器件的開發研制成功，以及現代數字技術的普及應用，對電機的驅動控制提供了新的方法。橋式起重機電機調速控制普便應用三相繞線式電動機轉子串電阻調速方式，在近幾年定子調壓調速技術在起重機上得到了廣泛的應用。下面介紹一下晶閘管定子調壓調速的基本工作原理與特點。

1 三相異步電動機調速的基本方法

異步電機的調速方法有不少，根據異步電機的轉速公式：

n=n1（1-S）=60f1/（1-S） （1）

式（1）中n1為同步轉速（r/min）；f1為定子頻率，也就是電源頻率（Hz）；p為磁極對數。由此可知，異步電動機有以下三種基本調速方法：改變定子極對數p調速；改變電源頻率f1調速；改變轉差率s調速。

2 調壓調速的簡介

根據電機拖動的原理，當異步電機在其等效電路的參數不變情況下，轉速不變，電磁轉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械特性，從而使電機在負載一定時轉速可調。當電機的定子電壓改變時，可以得到一組不同的機械特性曲線，由于電動機的轉矩與電壓平方成正比，當定子電壓很低時，其轉矩也相應降低，使電機速度調整范圍較小，為提高電機調速范圍，普遍采用在繞線式電機的轉子上串電阻的方法。并且為了保證電機的穩定運行，一般采用速度反饋控制以自動調節轉速。調壓調速裝置目前常用晶閘管調壓的方式，目前較為廣泛地應用于異步電動機調速。其機械特性如圖1所示。由圖可以看出，隨著定子電壓的降低，機械特性變軟，而且最大轉矩也減小很多，這樣就降低了電機的過載能力。若負載稍有波動，電機就可能停轉。因此對于恒轉矩負載，其調速范圍很小。但？在低速時磁通量較小，會使轉子電流較大，電機發熱問題就會變得嚴重。

為了克服上述調壓調速中存在的問題，通常采用以下方法。

（1） 采用轉子電阻較大的高轉差率籠型電動機、實心轉子電動機或雙層轉子電動機，以獲得較寬的調速范圍。（2）采用轉子串電阻和速度負反饋閉環調壓調速系統。

（2）

3 晶閘管定子調壓調速

3.1 調壓調速基本原理

異步電動機的電磁轉矩公式為：

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

式（2）中r1、r2為定轉子電阻；x1、x2為定轉子阻抗。由公式可知，當電動機各參數及電源頻率不變時，且當轉差率s一定時，電動機輸出轉矩T與電機的定子電壓U1成正比。改變其定子電壓，就得到其機械特性曲線，如圖2所示：

由圖2可知，在負載轉矩一定的情況下，降低電機定子電壓可以實現其低速運轉。但此時轉差率s將增大，電機電流也會隨之增大。電機轉差功耗全部消耗在電機內部，致使電機嚴重發熱。另外，在電機拖動恒轉矩負載TL？時，普通的鼠籠式異步電機在改變定子電壓時，它的穩定工作點為A、B、C，轉差率s的變化范圍在0～sm，電機的調速范圍很小。為了擴大電機恒轉矩負載時的調速范圍，保證電機低速時的穩定性，同時又不致過熱，就要使電機轉子繞組有較高的阻值，增大電機的調速范圍。

晶閘管定子的調壓調速裝置，是將三個反并聯晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間，通過調整晶閘管導通角的大小來調節加到定子繞組兩端的端電壓完成調速，可以實現三相繞線轉子異步電動機低速穩定運行。但這種調壓調速是開環系統，其特性硬度不夠，速度波動率大。為了提高其調速性能可采用速度閉環調壓調速控制系統，提高機械特性的硬度，減小速度的波動。閉環調壓調速系統的動態響應過程：當電機在要求的速度下穩定運行時，負載增大時使電機速度降低，相應的速度反饋值也隨之降低，在系統速度給定不變的情況下，速度調節器的輸入會隨著速度反饋的下降而增大，速度調節器調節器控制晶閘管的導通角，提高其輸出電壓，即提高電機的定子電壓，電機力矩同時增大，使電機加速運行，當速度調節至給定值時，速度調節器輸出值不再變化，晶閘管導通角也不再變化，保持輸出電壓一定，使電機輸出力矩與負載力矩達到平衡，電動機在給定速度下穩定運行。

3.2 晶閘管定子調壓調速特性

定子晶閘管調壓調速閉環系統已在近年得到較廣泛的使用。專用于起重機提升系統的調速裝置具有以下特點。

（1）調壓調速裝置的參數設置簡單，直觀明了，只需要設置電機參數和互感器變比，以及檔速給定值等基本參數即可正常工作。（2）起升系統正反向切換仍由交流接觸器控制，避免了環流的發生，并且接觸器是在無電壓無電流的情況下進行切換的，這樣大幅提升了接觸器的使用壽命，并且易于故障處理。（3）調壓調速控制系統采用速度閉環控制，采用電動機轉子頻率反饋進行測速，降低了改造難度，也減少了使用故障，使調速比能夠達到1：10。

3.3 用于起升機構控制邏輯功能簡介

（1）電源斷路器1Q1用于對主起升機構電動機及調壓調速裝置提供短路及過載保護。（2）定子調壓調速裝置是一個速度閉環的數字式交流調壓調速系統，采用電動機轉子頻率作為速度反饋信號。當設定電動機低速運行時，通過自動調節電動機定子電壓，使電動機穩定運行在設定速度上。由于是閉環調速系統，所以，電動機的運行速度不會因為負載的變化而變化，速度波動率很小。（3）正、反向接觸器1KM1與1KM2用于控制電機的運行方向，由調速裝置進行控制，其動作順序為機構上升運行時，正向接觸器1KM1吸合，電動機施加正向相序電壓，使電動機處于正向電動狀態，帶動機構正向起升。上升1、2、3擋為低速調速擋，速度分別設定為10%、20%、30%，上升4擋為全速擋，此時調速裝置輸出全電壓，電動機以額定轉速運行。機構在1—3擋下降運行時，正向接觸器1KM1首先吸合，通過調節電動機定子電壓，使電動機處于反接制動狀態，靠負載拉動機構下降運行，使機構低速運行。當吊運負載無法拉動機構下降運行時，在1.5s內，仍未檢測到機構運轉速度，就自動判斷負荷為輕載，控制反向接觸器1KM2吸合，讓電動機處于反向電動狀態，使電機運轉達到設定速度。下降4擋時，反向接觸器1KM2吸合，電動機處于反向電動狀態，當重載時，電機速度超過其同步速度時電機處于再生發電制動狀態。當由下降4擋回到下降1-3擋時，調速裝置自動切換正反向接觸器，在無電流的情況下釋放1KM2，使1KM1吸合，電機迅速反接制動，起升機構進入下降低速狀態。（4）在電機的轉子上串接了電阻，來消耗電機低速運轉時產生的熱能，共四段電阻器，分別由轉子接觸器1KM40、1KM41、1KM42控制。上升調速擋時，1KM40吸合切除最后一段電阻，提高電機啟動力矩。在上升4擋時，調速裝置？控制轉子接觸器1KM41、1KM42分別在50%，75%速度下閉合，依次切除第二、第三段電阻，使電機平滑過渡到全速，同時穩定了切換電流。下降1-3擋時，為了降低電機電流，并使下降4擋回到下降1-3擋時，保證足夠的切換力矩，增加了最后一段常加電阻，四段電阻全部串聯到轉子上。當下降4擋時，調速裝置控制轉子接觸器1KM41、1KM42分別在50%，75%速度下閉合，依次切除第二、第三段電阻，使電動機處于再生發電制動時速度限制在允許范圍內。（5）控制電路中還具有零位、失壓、超速、超載、限位等保護功能。

4 結語

目前我部鑄造起重機起升系統全部應用定子調壓調速裝置，經實踐檢驗該系統運行穩定，故障率低，設備維護工作量小，設備成本投入少，并且能夠有效地降低起重機的機械沖擊，從而使起重機的運行更加穩定、安全可靠。

參考文獻：

[1] 史乃，主編.電機學（第二版）[M].機械工業出版社，2014.

[2] 陳伯時，主編，電力拖動自動控制系統[M].機械工業出版社，2003.

[3] 魏炳貴，主編.電力拖動基礎[M].上海工程技術大學出版社，2000.

[4] 鄧則明，主編.電氣與可編程控制技術[M].機械工業出版社，2014.

[5] 李正熙.電力拖動自動控制系統（第二版）[M].冶金工業出版社，2000.

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