定子调压调速技术在起重机起升系统中的应用

1、    定子调压调速技术在起重机起升系统中的应用    【摘 要】近几年，在三相异步电动机的调速和转矩控制上取得了长足发展，人们对电动机的调速方法进行了大量的研究。本文主要介绍了三相异步电机调速的基本方法，重点分析对比了转子串电阻调速和晶闸管定子调压调速的基本原理和两种调速方法的各自特点。并具体分析了起重机起升系统调压调速功能的技术方案。【关键词】定子调压调速 机械特性 串电阻 晶闸管随着大功率和高开关频率的半导体器件的开发研制成功，以及现代数字技术的普及应用，对电机的驱动控制提供了新的方法。桥式起重机电机调速控制普便应用三相绕线式电动机转子串电阻调速方

2、式，在近几年定子调压调速技术在起重机上得到了广泛的应用。下面介绍一下晶闸管定子调压调速的基本工作原理与特点。1 三相异步电动机调速的基本方法异步电机的调速方法有不少，根据异步电机的转速公式：n=n1（1-s）=60f1/（1-s） （1）式（1）中n1为同步转速（r/min）；f1为定子频率，也就是电源频率（hz）；p为磁极对数。由此可知，异步电动机有以下三种基本调速方法：改变定子极对数p调速；改变电源频率f1调速；改变转差率s调速。2 调压调速的简介根据电机拖动的原理，当异步电机在其等效电路的参数不变情况下，转速不变，电磁转矩与其定子电压的平方成正比，因此，改变定子电压就可以改变其机械特性，

3、从而使电机在负载一定时转速可调。当电机的定子电压改变时，可以得到一组不同的机械特性曲线，由于电动机的转矩与电压平方成正比，当定子电压很低时，其转矩也相应降低，使电机速度调整范围较小，为提高电机调速范围，普遍采用在绕线式电机的转子上串电阻的方法。并且为了保证电机的稳定运行，一般采用速度反馈控制以自动调节转速。调压调速装置目前常用晶闸管调压的方式，目前较为广泛地应用于异步电动机调速。其机械特性如图1所示。由图可以看出，随着定子电压的降低，机械特性变软，而且最大转矩也减小很多，这样就降低了电机的过载能力。若负载稍有波动，电机就可能停转。因此对于恒转矩负载，其调速范围很小。但？在低速时磁通量较小，会使

4、转子电流较大，电机发热问题就会变得严重。为了克服上述调压调速中存在的问题，通常采用以下方法。（1） 采用转子电阻较大的高转差率笼型电动机、实心转子电动机或双层转子电动机，以获得较宽的调速范围。（2）采用转子串电阻和速度负反馈闭环调压调速系统。（2）3 晶闸管定子调压调速3.1 调压调速基本原理异步电动机的电磁转矩公式为：t=（3pu12r2/s）/2？1（r1+r2/s）2+（x1+x2）2 （2）式（2）中r1、r2为定转子电阻；x1、x2为定转子阻抗。由公式可知，当电动机各参数及电源频率不变时，且当转差率s一定时，电动机输出转矩t与电机的定子电压u1成正比。改变其定子电压，就得到其机械特性

5、曲线，如图2所示：由图2可知，在负载转矩一定的情况下，降低电机定子电压可以实现其低速运转。但此时转差率s将增大，电机电流也会随之增大。电机转差功耗全部消耗在电机内部，致使电机严重发热。另外，在电机拖动恒转矩负载tl？时，普通的鼠笼式异步电机在改变定子电压时，它的稳定工作点为a、b、c，转差率s的变化范围在0sm，电机的调速范围很小。为了扩大电机恒转矩负载时的调速范围，保证电机低速时的稳定性，同时又不致过热，就要使电机转子绕组有较高的阻值，增大电机的调速范围。晶闸管定子的调压调速装置，是将三个反并联晶闸管分别接到三相交流电源与三相定子绕组之间，通过调整晶闸管导通角的大小来调节加到定子绕组两端的端

6、电压完成调速，可以实现三相绕线转子异步电动机低速稳定运行。但这种调压调速是开环系统，其特性硬度不够，速度波动率大。为了提高其调速性能可采用速度闭环调压调速控制系统，提高机械特性的硬度，减小速度的波动。闭环调压调速系统的动态响应过程：当电机在要求的速度下稳定运行时，负载增大时使电机速度降低，相应的速度反馈值也随之降低，在系统速度给定不变的情况下，速度调节器的输入会随着速度反馈的下降而增大，速度调节器调节器控制晶闸管的导通角，提高其输出电压，即提高电机的定子电压，电机力矩同时增大，使电机加速运行，当速度调节至给定值时，速度调节器输出值不再变化，晶闸管导通角也不再变化，保持输出电压一定，使电机输出力

7、矩与负载力矩达到平衡，电动机在给定速度下稳定运行。3.2 晶闸管定子调压调速特性定子晶闸管调压调速闭环系统已在近年得到较广泛的使用。专用于起重机提升系统的调速装置具有以下特点。（1）调压调速装置的参数设置简单，直观明了，只需要设置电机参数和互感器变比，以及档速给定值等基本参数即可正常工作。（2）起升系统正反向切换仍由交流接触器控制，避免了环流的发生，并且接触器是在无电压无电流的情况下进行切换的，这样大幅提升了接触器的使用寿命，并且易于故障处理。（3）调压调速控制系统采用速度闭环控制，采用电动机转子频率反馈进行测速，降低了改造难度，也减少了使用故障，使调速比能够达到1：10。3.3 用于起升机构

8、控制逻辑功能简介（1）电源断路器1q1用于对主起升机构电动机及调压调速装置提供短路及过载保护。（2）定子调压调速装置是一个速度闭环的数字式交流调压调速系统，采用电动机转子频率作为速度反馈信号。当设定电动机低速运行时，通过自动调节电动机定子电压，使电动机稳定运行在设定速度上。由于是闭环调速系统，所以，电动机的运行速度不会因为负载的变化而变化，速度波动率很小。（3）正、反向接触器1km1与1km2用于控制电机的运行方向，由调速装置进行控制，其动作顺序为机构上升运行时，正向接触器1km1吸合，电动机施加正向相序电压，使电动机处于正向电动状态，带动机构正向起升。上升1、2、3挡为低速调速挡，速度分别设

9、定为10%、20%、30%，上升4挡为全速挡，此时调速装置输出全电压，电动机以额定转速运行。机构在13挡下降运行时，正向接触器1km1首先吸合，通过调节电动机定子电压，使电动机处于反接制动状态，靠负载拉动机构下降运行，使机构低速运行。当吊运负载无法拉动机构下降运行时，在1.5s内，仍未检测到机构运转速度，就自动判断负荷为轻载，控制反向接触器1km2吸合，让电动机处于反向电动状态，使电机运转达到设定速度。下降4挡时，反向接触器1km2吸合，电动机处于反向电动状态，当重载时，电机速度超过其同步速度时电机处于再生发电制动状态。当由下降4挡回到下降1-3挡时，调速装置自动切换正反向接触器，在无电流的情

10、况下释放1km2，使1km1吸合，电机迅速反接制动，起升机构进入下降低速状态。（4）在电机的转子上串接了电阻，来消耗电机低速运转时产生的热能，共四段电阻器，分别由转子接触器1km40、1km41、1km42控制。上升调速挡时，1km40吸合切除最后一段电阻，提高电机启动力矩。在上升4挡时，调速装置？控制转子接触器1km41、1km42分别在50%，75%速度下闭合，依次切除第二、第三段电阻，使电机平滑过渡到全速，同时稳定了切换电流。下降1-3挡时，为了降低电机电流，并使下降4挡回到下降1-3挡时，保证足够的切换力矩，增加了最后一段常加电阻，四段电阻全部串联到转子上。当下降4挡时，调速装置控制转子接触器1km41、1km42分别在50%，75%速度下闭合，依次切除第二、第三段电阻，使电动机处于再生发电制动时速度限制在允许范围内。（5）控制电路中还具有零位、失压、超速、超载、限位等保护功能。4 结语目前我部铸造起重机起升系统全部应用定子调压调速装置，经实践检验该系统运行稳定，故障率低，设备维护工作量小，设备成本投入少，并且能够有效地降低起重机的机械冲击，从而使起重机的运行更加稳定、安全可靠。参考文献：1 史乃，主编.电机学（