用于起重機(jī)的晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用

0 引言

電動(dòng)機(jī)的調(diào)速經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的演變過(guò)程，人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)矩控制上做過(guò)了大量的研究，嘗試過(guò)使用各種不同形式的調(diào)速方法，隨著大功率和高開(kāi)關(guān)頻率的半導(dǎo)體器件的開(kāi)發(fā)研制成功，以及現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的普及應(yīng)用，為我們提供了驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的新的方法。

目前起重機(jī)電機(jī)調(diào)速控制應(yīng)用最多的是三相繞線式電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速，下面就介紹一下用于轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速的基本工作原理與優(yōu)缺點(diǎn)。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)工作的基本原理

1.1 基本公式

從電網(wǎng)輸入電動(dòng)機(jī)的功率

2 三相異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速

2.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速

主要介紹用于起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)用的兩擋反接控制，機(jī)械特性如圖1 所示。兩擋反接制動(dòng)是指起升機(jī)構(gòu)在滿載或75%負(fù)載下，可以達(dá)到滿速下降的目的。在返回停止工作時(shí)可達(dá)到準(zhǔn)確停車(chē)，避免在滿載情況下下滑而造成意外事故。

上升1、2、3 擋人為逐級(jí)切除電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)由機(jī)械特性1、2、3 過(guò)渡到機(jī)械特性4 上，電動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

滿載慢速下降電動(dòng)機(jī)工作在特性5上，電機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)一定的電阻值，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。

輕載下降電動(dòng)機(jī)工作在特性6 上，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串進(jìn)全部電阻，使電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變得更軟。電動(dòng)機(jī)工作在反接制動(dòng)狀態(tài)。

雖然在上面兩種反接制動(dòng)狀態(tài)下能夠得到一定的低速，但是不能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，否則會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，此時(shí)電機(jī)的機(jī)械特性都比較軟，負(fù)載轉(zhuǎn)矩瞬間產(chǎn)生的任何波動(dòng)都會(huì)使電機(jī)失去控制，將造成嚴(yán)重后果。所以在操作控制時(shí)不允許長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在特性5、6上，要在短時(shí)間內(nèi)切掉轉(zhuǎn)子電阻，使電動(dòng)機(jī)工作在再生發(fā)電狀態(tài)下。

繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速為開(kāi)環(huán)調(diào)速，速度波動(dòng)比較大，輕載時(shí)調(diào)速范圍比較小，也就是說(shuō)在載荷較小時(shí)起升各擋之間速度變化不明顯。下降控制時(shí)比較復(fù)雜，需要操作人員密切關(guān)注機(jī)構(gòu)的運(yùn)行方向。另外下降過(guò)程中無(wú)論負(fù)載大小，都得不到穩(wěn)定的低速運(yùn)行，所以在對(duì)下降控制要求較高的冶金及其它行業(yè)就不能滿足調(diào)速要求了。

2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速

2.2.1 調(diào)壓調(diào)速基本原理

由異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式

可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)各參數(shù)及電源頻率不變時(shí)，且當(dāng)轉(zhuǎn)差率s 一定時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T與電機(jī)定子電壓U1成正比。當(dāng)改變定子電壓時(shí)，可以得到一組人為的機(jī)械特性曲線，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，為了在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，通過(guò)降低定子電壓得到低速運(yùn)轉(zhuǎn)是可能的。但是在降低定子電壓得到低速時(shí)，由于轉(zhuǎn)差率s 將增大，因此電動(dòng)機(jī)電流隨著s 的增大而增大。這樣轉(zhuǎn)差功耗就全部消耗在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，從而致使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重。

另外由圖猿可見(jiàn)，帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載TL 時(shí)，普通的籠型異步電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的穩(wěn)定工作點(diǎn)為A、B、C，轉(zhuǎn)差率s 的變化范圍不會(huì)超過(guò)0~sm，調(diào)速范圍很小。為了能在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下擴(kuò)大變壓調(diào)速范圍，須使電機(jī)在較低速下穩(wěn)定運(yùn)行而又不致過(guò)熱，就要求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組有較高的電阻值。圖3 給出了高轉(zhuǎn)子電阻電動(dòng)機(jī)變電壓時(shí)的機(jī)械特性，顯然在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下的變壓調(diào)速范圍增大了，所以異步電動(dòng)機(jī)變電壓調(diào)速時(shí)，采用普通電機(jī)的調(diào)速范圍很窄，為了減少電機(jī)發(fā)熱及擴(kuò)大調(diào)速范圍，須采用高轉(zhuǎn)子電阻的電機(jī)。

晶閘管定子的調(diào)壓調(diào)速裝置，是通過(guò)在定子上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管并控制其導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)的，可以實(shí)現(xiàn)三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)低速穩(wěn)定運(yùn)行。但這種調(diào)壓調(diào)速是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動(dòng)率大。為了提高其調(diào)速性能可采用有雙閉環(huán)(速度環(huán)和電流環(huán))反饋調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)，閉環(huán)調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4 所示。顯而易見(jiàn)閉環(huán)系統(tǒng)下的機(jī)械特性硬度提高了，速度波動(dòng)率大大減小。

閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程為當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在要求的速度時(shí)，一旦負(fù)載增大，電機(jī)會(huì)在較大負(fù)載拖動(dòng)下進(jìn)行減速，速度反饋值也隨之降低，閉環(huán)系統(tǒng)給定值不變，速度調(diào)節(jié)器的輸入由于速度反饋的下降而增大，經(jīng)過(guò)速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制晶閘管，增加晶閘管導(dǎo)通角，因而電動(dòng)機(jī)定子電壓提高，電動(dòng)機(jī)力矩也增大，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始加速，當(dāng)速度升至要求值時(shí)，速度反饋與給定值相等，速度調(diào)節(jié)器輸出值不再變化，晶閘管導(dǎo)通角不變，電動(dòng)機(jī)電壓也不再升高，電動(dòng)機(jī)力矩與負(fù)載力矩達(dá)到平衡，電動(dòng)機(jī)又穩(wěn)定運(yùn)行于給定值確定的速度值。這種速度調(diào)節(jié)器為PID調(diào)節(jié)器，由于積分的作用，所以速度與給定值相等，屬無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。

2.2.2 晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速特點(diǎn)

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。

應(yīng)用了以上所述的閉環(huán)調(diào)壓調(diào)速原理，設(shè)計(jì)生產(chǎn)的用于起重機(jī)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置，具體特點(diǎn)如下。

1)這種調(diào)壓調(diào)速裝置是專(zhuān)業(yè)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品，專(zhuān)門(mén)用于驅(qū)動(dòng)起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)，對(duì)起重繞線式電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制。

2)該裝置是數(shù)字化調(diào)速設(shè)備，由于在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮簡(jiǎn)便和實(shí)用，所以用戶(hù)在使用時(shí)特別方便。該裝置的參數(shù)少，而且直觀簡(jiǎn)單，當(dāng)使用時(shí)在保證正確接線的基礎(chǔ)上，只需要調(diào)整電動(dòng)機(jī)電流參數(shù)就可進(jìn)行正常工作，無(wú)須長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試和調(diào)整。

3)該裝置正反向切換采用交流接觸器進(jìn)行，這樣設(shè)計(jì)就徹底避免了環(huán)流發(fā)生的可能性，因而也不必采用快速熔斷器保護(hù)晶閘管的設(shè)計(jì)方法。

用兩組晶閘管控制正反向在實(shí)際使用中經(jīng)常產(chǎn)生環(huán)流，因而必須采用快速熔斷器進(jìn)行保護(hù)。這樣在使用時(shí)，就必須經(jīng)常更換快熔，造成故障率提高，給使用維護(hù)帶來(lái)不便。

該裝置由于無(wú)環(huán)流發(fā)生的可能性，再加上晶閘管選擇上的考慮，因此只需用帶電子脫扣器的斷路器保護(hù)即可，方便使用。

該裝置控制接觸器切換時(shí)，是在無(wú)電壓無(wú)電流的情況下進(jìn)行的，這樣在接觸器的選擇上就可按接觸器的約定發(fā)熱電流進(jìn)行，在壽命的選擇上，只考慮機(jī)械壽命即可。

另外，利用正反向接觸器控制電動(dòng)機(jī)比較直觀可靠，容易判斷故障，同時(shí)我們利用正反向接觸器輔助觸頭與制動(dòng)器進(jìn)行連鎖，就非?？煽康谋ＷC了制動(dòng)器只有在電動(dòng)機(jī)帶電的情況下才能開(kāi)閘，使運(yùn)行及控制更加可靠。

4)由于調(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)，所以必須設(shè)置速度檢測(cè)環(huán)節(jié)。該裝置拋棄了原有的容易損壞的測(cè)速發(fā)電機(jī)和安裝困難對(duì)環(huán)境要求高的脈沖偏碼器的測(cè)速方法，采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率反饋進(jìn)行測(cè)速，這樣就大大降低了改造難度，降低了使用故障，調(diào)速比能夠達(dá)到1:10。

2.2.3 用于起升機(jī)構(gòu)控制邏輯功能簡(jiǎn)介

用于起升機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)如圖5 所示，機(jī)械特性如圖6所示。

1)電源電路斷路器1Q1 用于對(duì)主起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)及調(diào)壓調(diào)速裝置提供短路及過(guò)載保護(hù)。

2)數(shù)字式定子調(diào)壓調(diào)速裝置是一個(gè)速度閉環(huán)的現(xiàn)代化交流調(diào)速系統(tǒng)，無(wú)需測(cè)速發(fā)電機(jī)和編碼器，而是采用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率作為速度反饋信號(hào)。當(dāng)設(shè)定電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在設(shè)定速度上。由于是閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，所以，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度不會(huì)因?yàn)樨?fù)載的變化而變化，速度波動(dòng)率很小。

3)正、反向接觸器1KM11與1KM21 用于控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方向。正反向接觸器的動(dòng)作均由THYROMAT 控制，其動(dòng)作順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)上升運(yùn)行時(shí)，正向接觸器1KM11吸合，電動(dòng)機(jī)加上了正向相序，使電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，帶動(dòng)機(jī)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)定為10%、20%、30%，上升4 擋為全速擋，此時(shí)輸出全電壓，控制電動(dòng)機(jī)以額定速度運(yùn)行。機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行1—3擋時(shí)，首先正向接觸器1KM11吸合，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子電壓，使電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)，靠負(fù)荷拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行，以獲取低速運(yùn)行。當(dāng)?shù)踹\(yùn)負(fù)荷重量很輕，無(wú)法拉動(dòng)機(jī)構(gòu)下降運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)在1.5 s內(nèi)，機(jī)構(gòu)還未運(yùn)轉(zhuǎn)，就自動(dòng)判斷負(fù)荷為輕載，在零電流的情況下控制正反向接觸器的切換，使反向接觸器1KM21 吸合，讓電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，達(dá)到設(shè)定速度。若由于某種原因吊運(yùn)的負(fù)荷變重，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器回復(fù)到反接制動(dòng)狀態(tài)。下降4 擋時(shí)，控制反向接觸器吸合，使電動(dòng)機(jī)處于反向電動(dòng)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載重時(shí)，電動(dòng)機(jī)速度超過(guò)同步速處于再生發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。

控制手柄由下降4 擋回復(fù)到下降1—3擋時(shí)，會(huì)自動(dòng)控制正反向接觸器在零電流的情況下迅速切換，讓電動(dòng)機(jī)迅速進(jìn)入反接制動(dòng)狀態(tài)，制動(dòng)負(fù)荷進(jìn)入下降低速狀態(tài)。

4)轉(zhuǎn)子接觸器在每個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上均串接了電阻，用于消耗電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱能，電阻器分為四段。上升調(diào)速擋時(shí)，1KM43吸合切除最后一段電阻，加大電機(jī)啟動(dòng)力矩。上升4 擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器1KM42、1KM41分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電機(jī)平滑過(guò)渡到全速，又使切換電流得到控制。下降1—3 擋時(shí)，為了降低電機(jī)電流，并使下降4 擋回到下降1—3 擋時(shí)，切換力矩足夠，增加了最后一段電阻，轉(zhuǎn)子四段電阻全部串聯(lián)到轉(zhuǎn)子上。當(dāng)下降4 擋時(shí)，通過(guò)THYROMAT 控制另外兩個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電動(dòng)機(jī)處于再生發(fā)電制動(dòng)時(shí)速度限制在允許范圍內(nèi)。

5)控制電路中還具有零位、失壓、限位等保護(hù)功能。

3 結(jié)語(yǔ)

該裝置目前廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、水電等行業(yè)的起重設(shè)備上，使用效果非常好。

這種調(diào)壓調(diào)速裝置的使用能夠有效地降低起重機(jī)的機(jī)械沖擊，從而使起重機(jī)的運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠。