用于起重机的晶闸管定子调压调速装置的设计应用

0 引言

电动机的调速经过了长期的演变过程，人们在电动机的调速和转矩控制上做过了大量的研究，尝试过使用各种不同形式的调速方法，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，为我们提供了驱动控制电动机的新的方法。

目前起重机电机调速控制应用最多的是三相绕线式电动机转子串电阻调速，下面就介绍一下用于转子串电阻调速与晶闸管定子调压调速的基本工作原理与优缺点。

1 三相异步电动机工作的基本原理

1.1 基本公式

从电网输入电动机的功率

2 三相异步电动机调速

2.1 转子串电阻调速

主要介绍用于起重机起升机构用的两挡反接控制，机械特性如图1 所示。两挡反接制动是指起升机构在满载或75%负载下，可以达到满速下降的目的。在返回停止工作时可达到准确停车，避免在满载情况下下滑而造成意外事故。

上升1、2、3 挡人为逐级切除电动机转子电阻，使电动机由机械特性1、2、3 过渡到机械特性4 上，电动机高速运转。

满载慢速下降电动机工作在特性5上，电机转子串进一定的电阻值，使电动机处于反接制动状态。

轻载下降电动机工作在特性6 上，此时电动机转子串进全部电阻，使电动机的机械特性变得更软。电动机工作在反接制动状态。

虽然在上面两种反接制动状态下能够得到一定的低速，但是不能长时间运行，否则会造成电机发热严重，此时电机的机械特性都比较软，负载转矩瞬间产生的任何波动都会使电机失去控制，将造成严重后果。所以在操作控制时不允许长时间运行在特性5、6上，要在短时间内切掉转子电阻，使电动机工作在再生发电状态下。

绕线式异步电动机转子串电阻调速为开环调速，速度波动比较大，轻载时调速范围比较小，也就是说在载荷较小时起升各挡之间速度变化不明显。下降控制时比较复杂，需要操作人员密切关注机构的运行方向。另外下降过程中无论负载大小，都得不到稳定的低速运行，所以在对下降控制要求较高的冶金及其它行业就不能满足调速要求了。

2.2 晶闸管定子调压调速

2.2.1 调压调速基本原理

由异步电动机的电磁转矩表达式

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与电机定子电压U1成正比。当改变定子电压时，可以得到一组人为的机械特性曲线，如图2 所示。

由图2 可以看出，为了在一定的负载转矩下，通过降低定子电压得到低速运转是可能的。但是在降低定子电压得到低速时，由于转差率s 将增大，因此电动机电流随着s 的增大而增大。这样转差功耗就全部消耗在电动机内部，从而致使电动机发热严重。

另外由图猿可见，带恒转矩负载TL 时，普通的笼型异步电动机变电压时的稳定工作点为A、B、C，转差率s 的变化范围不会超过0~sm，调速范围很小。为了能在恒转矩负载下扩大变压调速范围，须使电机在较低速下稳定运行而又不致过热，就要求电动机转子绕组有较高的电阻值。图3 给出了高转子电阻电动机变电压时的机械特性，显然在恒转矩负载下的变压调速范围增大了，所以异步电动机变电压调速时，采用普通电机的调速范围很窄，为了减少电机发热及扩大调速范围，须采用高转子电阻的电机。

晶闸管定子的调压调速装置，是通过在定子上串联反并联晶闸管并控制其导通角来实现的，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有双闭环(速度环和电流环)反馈调压调速控制系统，闭环调速时电动机的机械特性曲线如图4 所示。显而易见闭环系统下的机械特性硬度提高了，速度波动率大大减小。

闭环调压调速系统动态过程为当电动机稳定运行在要求的速度时，一旦负载增大，电机会在较大负载拖动下进行减速，速度反馈值也随之降低，闭环系统给定值不变，速度调节器的输入由于速度反馈的下降而增大，经过速度调节器调节控制晶闸管，增加晶闸管导通角，因而电动机定子电压提高，电动机力矩也增大，电动机开始加速，当速度升至要求值时，速度反馈与给定值相等，速度调节器输出值不再变化，晶闸管导通角不变，电动机电压也不再升高，电动机力矩与负载力矩达到平衡，电动机又稳定运行于给定值确定的速度值。这种速度调节器为PID调节器，由于积分的作用，所以速度与给定值相等，属无静差调速系统。

2.2.2 晶闸管定子调压调速特点

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。

应用了以上所述的闭环调压调速原理，设计生产的用于起重机电动机的调速装置，具体特点如下。

1)这种调压调速装置是专业化设计产品，专门用于驱动起重机的起升机构和运行机构，对起重绕线式电动机进行控制。

2)该装置是数字化调速设备，由于在设计时充分考虑简便和实用，所以用户在使用时特别方便。该装置的参数少，而且直观简单，当使用时在保证正确接线的基础上，只需要调整电动机电流参数就可进行正常工作，无须长时间调试和调整。

3)该装置正反向切换采用交流接触器进行，这样设计就彻底避免了环流发生的可能性，因而也不必采用快速熔断器保护晶闸管的设计方法。

用两组晶闸管控制正反向在实际使用中经常产生环流，因而必须采用快速熔断器进行保护。这样在使用时，就必须经常更换快熔，造成故障率提高，给使用维护带来不便。

该装置由于无环流发生的可能性，再加上晶闸管选择上的考虑，因此只需用带电子脱扣器的断路器保护即可，方便使用。

该装置控制接触器切换时，是在无电压无电流的情况下进行的，这样在接触器的选择上就可按接触器的约定发热电流进行，在寿命的选择上，只考虑机械寿命即可。

另外，利用正反向接触器控制电动机比较直观可靠，容易判断故障，同时我们利用正反向接触器辅助触头与制动器进行连锁，就非常可靠的保证了制动器只有在电动机带电的情况下才能开闸，使运行及控制更加可靠。

4)由于调压调速控制系统采用速度闭环，所以必须设置速度检测环节。该装置抛弃了原有的容易损坏的测速发电机和安装困难对环境要求高的脉冲偏码器的测速方法，采用电动机转子频率反馈进行测速，这样就大大降低了改造难度，降低了使用故障，调速比能够达到1:10。

2.2.3 用于起升机构控制逻辑功能简介

用于起升机构的控制系统如图5 所示，机械特性如图6所示。

1)电源电路断路器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)数字式定子调压调速装置是一个速度闭环的现代化交流调速系统，无需测速发电机和编码器，而是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1KM11与1KM21 用于控制电动机的运行方向。正反向接触器的动作均由THYROMAT 控制，其动作顺序为机构上升运行时，正向接触器1KM11吸合，电动机加上了正向相序，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，速度分别设定为10%、20%、30%，上升4 挡为全速挡，此时输出全电压，控制电动机以额定速度运行。机构下降运行1—3挡时，首先正向接触器1KM11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，靠负荷拉动机构下降运行，以获取低速运行。当吊运负荷重量很轻，无法拉动机构下降运行时，会自动进行检测。当在1.5 s内，机构还未运转，就自动判断负荷为轻载，在零电流的情况下控制正反向接触器的切换，使反向接触器1KM21 吸合，让电动机处于反向电动状态，达到设定速度。若由于某种原因吊运的负荷变重，会自动控制正反向接触器回复到反接制动状态。下降4 挡时，控制反向接触器吸合，使电动机处于反向电动状态，当负载重时，电动机速度超过同步速处于再生发电制动状态。

控制手柄由下降4 挡回复到下降1—3挡时，会自动控制正反向接触器在零电流的情况下迅速切换，让电动机迅速进入反接制动状态，制动负荷进入下降低速状态。

4)转子接触器在每个电动机的转子上均串接了电阻，用于消耗电机低速运行时产生的热能，电阻器分为四段。上升调速挡时，1KM43吸合切除最后一段电阻，加大电机启动力矩。上升4 挡时，通过THYROMAT 控制另外两个转子接触器1KM42、1KM41分别在50%，75%速度下闭合，分别切除第二、第三段电阻，使电机平滑过渡到全速，又使切换电流得到控制。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，切换力矩足够，增加了最后一段电阻，转子四段电阻全部串联到转子上。当下降4 挡时，通过THYROMAT 控制另外两个转子接触器分别在50%，75%速度下闭合，分别切除第二、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、限位等保护功能。

3 结语

该装置目前广泛应用于冶金、矿山、水电等行业的起重设备上，使用效果非常好。

这种调压调速装置的使用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、可靠。