定子調壓調速在橋式起重機起升機構上的應用

潘錦平 黃偉興

（廣東省韶關鋼鐵集團有限公司，廣東韶關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、數量最多的一種起重機械，廣泛用于工業生產、交通、港口碼頭等場所。傳統橋式起重機起升機構電氣控制一般采取電動機轉子回路串電阻調速，通過改變轉子回路外接電阻值來獲得不同轉速。但此種控制方式存在啟動時對機械沖擊大、控制精度低、可調速范圍小、故障率高等缺點，因此近年來逐漸被定子調壓調速控制和變頻調速控制系統代替。其中定子調壓調速系統是通過改變電動機定子電壓進行小范圍調速，并配合在電動機轉子回路串接電阻增大調速范圍，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傳統調速控制方式與定子調壓調速控制方式的原理、優缺點進行比較和分析，并用實例證明，起升機構使用調壓調速控制系統可靠性高、工作效率高、控制精度高。

1 基本原理

1.1 轉子串電阻調速基本原理及優缺點

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

轉子串電阻調速優點：結構簡單，成本較低，維修方便。

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

1.2 定子調壓調速基本原理及優缺點

定子調壓調速原理：通過控制定子回路晶閘管導通角來控制電動機定子電壓，改變電動機的驅動力矩及運行速度。為了增大調速范圍，同時降低定子電流，在調節電動機定子電壓的同時，通過電機轉子串接一定的電阻，再調節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，達到調速的目的。電機轉速由主令控制器給定，通過速度及電流反饋實現閉環控制。

定子調壓調速優點：維護簡單，成本較低，控制容易，可靠性高，調速的平滑性較好，電氣和機械沖擊均較小，故障率低。

定子調壓調速缺點：低速功耗較大，發熱量較大，需轉子串接電阻擴大調速范圍。

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時，電動機轉速與轉矩之間的關系如圖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根據其通電持續率的不同而變化。從圖1可以看出，電動機有兩個不同的運行區域：在A～B段不穩定運行區域，隨著轉速降低，電動機力矩反而下降了；在B～C段穩定運行區域，隨著轉速降低，電動機力矩上升。通過上述分析得出以下結論：異步電動機固有機械特性不能直接用于驅動，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定運行區域，為了到達使用要求，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 轉子回路串接對稱電阻的機械特性

由圖2可見，增加轉子調速電阻，可以改變Sm，改變啟動轉矩MQ，讓電動機工作在穩定區域，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，可以改變最大轉矩Mmax，改變啟動轉矩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，且調速范圍較小，不能滿足工作需求。為了增大調速范圍，降低定子電流，在調節電動機定子電壓的同時，通過電機轉子串接一定的電阻，達到調速的目的。

電動機通過上述方式可以實現調速，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堵轉。為了解決這個問題，必須組成閉環調壓系統。

圖3 三相異步電機降低定子電壓的機械特性

1.4 閉環調壓調速的基本工作原理

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過控制單元處理，通過移相觸發器形成觸發脈沖，控制晶閘管的導通角，達到控制定子電壓，從而控制電動機轉速及轉矩的目的。

圖4 閉環調壓調速原理

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

通過以上分析，我們可以知道定子調壓調速系統有以下特點：

（1）可以調節電動機的速度；

（2）串接轉子電阻后可以擴大調速范圍，降低電動機啟動電流，增大啟動轉矩；

（3）低速檔位時必須采用閉環調速系統提高電動機機械特性的硬度。

2 實際應用

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

2.1 調壓調速裝置安裝調試

通過相關技術人員的討論，決定先選定一臺橋式起重機起升機構控制系統進行改造。經過與相關技術人員的深入探討，出于經濟性、通用性的考慮，最終決定使用上海某電氣有限公司生產的調壓調速裝置。安裝時間為共計10 h，安裝過程順利，未遇到任何技術問題，調試過程中各參數使用默認值即可達到工作條件。

2.2 使用情況

經過近5年的觀察使用，改造后起升機構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%，因起升機構造成被吊物或現場設備設施損壞的次數從3次/年降至0次/年。可見，定子調壓調速比轉子串電阻調速更可靠、故障率更低、更容易操作等。此次起升機構的改造達到了預想效果，今后將逐步推廣到其他天車上使用。

3 結語

本文結合本次橋式起重機起升機構改造為調壓調速后的使用情況，著重講述了調壓調速裝置相比較于傳統轉子切電阻調速的優點。筆者認為，隨著科技的進步發展，將來調壓調速控制將會更廣泛地應用于橋式起重機的各個控制系統中，逐步淘汰落后的轉子切電阻調速，這樣可以讓設備的故障率更低、壽命更長，大大提高生產效率。

[1]張建民.機電一體化系統設計[M].4版.北京：高等教育出版社，2014.

[2]程憲平.機電傳動與控制[M].4版.武漢：華中科技大學出版社，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.調壓調速原理簡介[Z].