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

1、    定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)在起重機起升系統(tǒng)中的應(yīng)用    【摘 要】近幾年，在三相異步電動機的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上取得了長足發(fā)展，人們對電動機的調(diào)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(diào)速的基本方法，重點分析對比了轉(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。并具體分析了起重機起升系統(tǒng)調(diào)壓調(diào)速功能的技術(shù)方案?！娟P(guān)鍵詞】定子調(diào)壓調(diào)速 機械特性 串電阻 晶閘管隨著大功率和高開關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開發(fā)研制成功，以及現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的普及應(yīng)用，對電機的驅(qū)動控制提供了新的方法。橋式起重機電機調(diào)速控制普便應(yīng)用三相繞線式電動機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速方

2、式，在近幾年定子調(diào)壓調(diào)速技術(shù)在起重機上得到了廣泛的應(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。1 三相異步電動機調(diào)速的基本方法異步電機的調(diào)速方法有不少，根據(jù)異步電機的轉(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為磁極對數(shù)。由此可知，異步電動機有以下三種基本調(diào)速方法：改變定子極對數(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)速的簡介根據(jù)電機拖動的原理，當(dāng)異步電機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械特性，

3、從而使電機在負載一定時轉(zhuǎn)速可調(diào)。當(dāng)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(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，當(dāng)定子電壓很低時，其轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，使電機速度調(diào)整范圍較小，為提高電機調(diào)速范圍，普遍采用在繞線式電機的轉(zhuǎn)子上串電阻的方法。并且為了保證電機的穩(wěn)定運行，一般采用速度反饋控制以自動調(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)用于異步電動機調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)。因此對于恒轉(zhuǎn)矩負載，其調(diào)速范圍很小。但？在低速時磁通量較小，會使

4、轉(zhuǎn)子電流較大，電機發(fā)熱問題就會變得嚴(yán)重。為了克服上述調(diào)壓調(diào)速中存在的問題，通常采用以下方法。（1） 采用轉(zhuǎn)子電阻較大的高轉(zhuǎn)差率籠型電動機、實心轉(zhuǎn)子電動機或雙層轉(zhuǎn)子電動機，以獲得較寬的調(diào)速范圍。（2）采用轉(zhuǎn)子串電阻和速度負反饋閉環(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機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：t=（3pu12r2/s）/2？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)電動機各參數(shù)及電源頻率不變時，且當(dāng)轉(zhuǎn)差率s一定時，電動機輸出轉(zhuǎn)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

5、曲線，如圖2所示：由圖2可知，在負載轉(zhuǎn)矩一定的情況下，降低電機定子電壓可以實現(xiàn)其低速運轉(zhuǎn)。但此時轉(zhuǎn)差率s將增大，電機電流也會隨之增大。電機轉(zhuǎn)差功耗全部消耗在電機內(nèi)部，致使電機嚴(yán)重發(fā)熱。另外，在電機拖動恒轉(zhuǎn)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(wěn)定工作點為a、b、c，轉(zhuǎn)差率s的變化范圍在0sm，電機的調(diào)速范圍很小。為了擴大電機恒轉(zhuǎn)矩負載時的調(diào)速范圍，保證電機低速時的穩(wěn)定性，同時又不致過熱，就要使電機轉(zhuǎn)子繞組有較高的阻值，增大電機的調(diào)速范圍。晶閘管定子的調(diào)壓調(diào)速裝置，是將三個反并聯(lián)晶閘管分別接到三相交流電源與三相定子繞組之間，通過調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角的大小來調(diào)節(jié)加到定子繞組兩端的端

6、電壓完成調(diào)速，可以實現(xiàn)三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動機低速穩(wěn)定運行。但這種調(diào)壓調(diào)速是開環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動率大。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)，提高機械特性的硬度，減小速度的波動。閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)過程：當(dāng)電機在要求的速度下穩(wěn)定運行時，負載增大時使電機速度降低，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，即提高電機的定子電壓，電機力矩同時增大，使電機加速運行，當(dāng)速度調(diào)節(jié)至給定值時，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，使電機輸出力

7、矩與負載力矩達到平衡，電動機在給定速度下穩(wěn)定運行。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。專用于起重機提升系統(tǒng)的調(diào)速裝置具有以下特點。（1）調(diào)壓調(diào)速裝置的參數(shù)設(shè)置簡單，直觀明了，只需要設(shè)置電機參數(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(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制，采用電動機轉(zhuǎn)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(diào)速比能夠達到1：10。3.3 用于起升機構(gòu)

8、控制邏輯功能簡介（1）電源斷路器1q1用于對主起升機構(gòu)電動機及調(diào)壓調(diào)速裝置提供短路及過載保護。（2）定子調(diào)壓調(diào)速裝置是一個速度閉環(huán)的數(shù)字式交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，采用電動機轉(zhuǎn)子頻率作為速度反饋信號。當(dāng)設(shè)定電動機低速運行時，通過自動調(diào)節(jié)電動機定子電壓，使電動機穩(wěn)定運行在設(shè)定速度上。由于是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，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(diào)速裝置進行控制，其動作順序為機構(gòu)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(tài)，帶動機構(gòu)正向起升。上升1、2、3擋為低速調(diào)速擋，速度分別設(shè)

9、定為10%、20%、30%，上升4擋為全速擋，此時調(diào)速裝置輸出全電壓，電動機以額定轉(zhuǎn)速運行。機構(gòu)在13擋下降運行時，正向接觸器1km1首先吸合，通過調(diào)節(jié)電動機定子電壓，使電動機處于反接制動狀態(tài)，靠負載拉動機構(gòu)下降運行，使機構(gòu)低速運行。當(dāng)?shù)踹\負載無法拉動機構(gòu)下降運行時，在1.5s內(nèi)，仍未檢測到機構(gòu)運轉(zhuǎn)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(tài)，使電機運轉(zhuǎn)達到設(shè)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(tài)，當(dāng)重載時，電機速度超過其同步速度時電機處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。當(dāng)由下降4擋回到下降1-3擋時，調(diào)速裝置自動切換正反向接觸器，在無電流的情

10、況下釋放1km2，使1km1吸合，電機迅速反接制動，起升機構(gòu)進入下降低速狀態(tài)。（4）在電機的轉(zhuǎn)子上串接了電阻，來消耗電機低速運轉(zhuǎn)時產(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，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(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，使電機平滑過渡到全速，同時穩(wěn)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(lián)到轉(zhuǎn)子上。當(dāng)下降4擋時，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，使電動機處于再生發(fā)電制動時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、限位等保護功能。4 結(jié)語目前我部鑄造起重機起升系統(tǒng)全部應(yīng)用定子調(diào)壓調(diào)速裝置，經(jīng)實踐檢驗該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低，設(shè)備維護工作量小，設(shè)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(wěn)定、安全可靠。參考文獻：1 史乃，主編.電機學(xué)（