0 引言

電動機的調速經過了長期的演變過程，人們在電動機的調速和轉矩控制上做過了大量的研究，嘗試過使用各種不同形式的調速方法，隨著大功率和高開關頻率的半導體器件的開發(fā)研制成功，以及現代數字技術的普及應用，為我們提供了驅動控制電動機的新的方法。

目前起重機電機調速控制應用最多的是三相繞線式電動機轉子串電阻調速，下面就介紹一下用于轉子串電阻調速與晶閘管定子調壓調速的基本工作原理與優(yōu)缺點。

1 三相異步電動機工作的基本原理

1.1 基本公式

從電網輸入電動機的功率

2 三相異步電動機調速

2.1 轉子串電阻調速

主要介紹用于起重機起升機構用的兩擋反接控制，機械特性如圖1 所示。兩擋反接制動是指起升機構在滿載或75%負載下，可以達到滿速下降的目的。在返回停止工作時可達到準確停車，避免在滿載情況下下滑而造成意外事故。

上升1、2、3 擋人為逐級切除電動機轉子電阻，使電動機由機械特性1、2、3 過渡到機械特性4 上，電動機高速運轉。

滿載慢速下降電動機工作在特性5上，電機轉子串進一定的電阻值，使電動機處于反接制動狀態(tài)。

輕載下降電動機工作在特性6 上，此時電動機轉子串進全部電阻，使電動機的機械特性變得更軟。電動機工作在反接制動狀態(tài)。

雖然在上面兩種反接制動狀態(tài)下能夠得到一定的低速，但是不能長時間運行，否則會造成電機發(fā)熱嚴重，此時電機的機械特性都比較軟，負載轉矩瞬間產生的任何波動都會使電機失去控制，將造成嚴重后果。所以在操作控制時不允許長時間運行在特性5、6上，要在短時間內切掉轉子電阻，使電動機工作在再生發(fā)電狀態(tài)下。

繞線式異步電動機轉子串電阻調速為開環(huán)調速，速度波動比較大，輕載時調速范圍比較小，也就是說在載荷較小時起升各擋之間速度變化不明顯。下降控制時比較復雜，需要操作人員密切關注機構的運行方向。另外下降過程中無論負載大小，都得不到穩(wěn)定的低速運行，所以在對下降控制要求較高的冶金及其它行業(yè)就不能滿足調速要求了。

2.2 晶閘管定子調壓調速

2.2.1 調壓調速基本原理

由異步電動機的電磁轉矩表達式

可知，當電動機各參數及電源頻率不變時，且當轉差率s 一定時，電動機輸出轉矩T與電機定子電壓U1成正比。當改變定子電壓時，可以得到一組人為的機械特性曲線，如圖2 所示。

由圖2 可以看出，為了在一定的負載轉矩下，通過降低定子電壓得到低速運轉是可能的。但是在降低定子電壓得到低速時，由于轉差率s 將增大，因此電動機電流隨著s 的增大而增大。這樣轉差功耗就全部消耗在電動機內部，從而致使電動機發(fā)熱嚴重。

另外由圖猿可見，帶恒轉矩負載TL 時，普通的籠型異步電動機變電壓時的穩(wěn)定工作點為A、B、C，轉差率s 的變化范圍不會超過0~sm，調速范圍很小。為了能在恒轉矩負載下擴大變壓調速范圍，須使電機在較低速下穩(wěn)定運行而又不致過熱，就要求電動機轉子繞組有較高的電阻值。圖3 給出了高轉子電阻電動機變電壓時的機械特性，顯然在恒轉矩負載下的變壓調速范圍增大了，所以異步電動機變電壓調速時，采用普通電機的調速范圍很窄，為了減少電機發(fā)熱及擴大調速范圍，須采用高轉子電阻的電機。

晶閘管定子的調壓調速裝置，是通過在定子上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管并控制其導通角來實現的，可以實現三相繞線轉子異步電動機低速穩(wěn)定運行。但這種調壓調速是開環(huán)系統(tǒng)，其特性硬度不夠，速度波動率大。為了提高其調速性能可采用有雙閉環(huán)(速度環(huán)和電流環(huán))反饋調壓調速控制系統(tǒng)，閉環(huán)調速時電動機的機械特性曲線如圖4 所示。顯而易見閉環(huán)系統(tǒng)下的機械特性硬度提高了，速度波動率大大減小。

閉環(huán)調壓調速系統(tǒng)動態(tài)過程為當電動機穩(wěn)定運行在要求的速度時，一旦負載增大，電機會在較大負載拖動下進行減速，速度反饋值也隨之降低，閉環(huán)系統(tǒng)給定值不變，速度調節(jié)器的輸入由于速度反饋的下降而增大，經過速度調節(jié)器調節(jié)控制晶閘管，增加晶閘管導通角，因而電動機定子電壓提高，電動機力矩也增大，電動機開始加速，當速度升至要求值時，速度反饋與給定值相等，速度調節(jié)器輸出值不再變化，晶閘管導通角不變，電動機電壓也不再升高，電動機力矩與負載力矩達到平衡，電動機又穩(wěn)定運行于給定值確定的速度值。這種速度調節(jié)器為PID調節(jié)器，由于積分的作用，所以速度與給定值相等，屬無靜差調速系統(tǒng)。

2.2.2 晶閘管定子調壓調速特點

定子晶閘管調壓調速閉環(huán)系統(tǒng)已在近年得到較廣泛的使用。

應用了以上所述的閉環(huán)調壓調速原理，設計生產的用于起重機電動機的調速裝置，具體特點如下。

1)這種調壓調速裝置是專業(yè)化設計產品，專門用于驅動起重機的起升機構和運行機構，對起重繞線式電動機進行控制。

2)該裝置是數字化調速設備，由于在設計時充分考慮簡便和實用，所以用戶在使用時特別方便。該裝置的參數少，而且直觀簡單，當使用時在保證正確接線的基礎上，只需要調整電動機電流參數就可進行正常工作，無須長時間調試和調整。

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

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

該裝置由于無環(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即可，方便使用。

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

另外，利用正反向接觸器控制電動機比較直觀可靠，容易判斷故障，同時我們利用正反向接觸器輔助觸頭與制動器進行連鎖，就非?？煽康谋ＷC了制動器只有在電動機帶電的情況下才能開閘，使運行及控制更加可靠。

4)由于調壓調速控制系統(tǒng)采用速度閉環(huán)，所以必須設置速度檢測環(huán)節(jié)。該裝置拋棄了原有的容易損壞的測速發(fā)電機和安裝困難對環(huán)境要求高的脈沖偏碼器的測速方法，采用電動機轉子頻率反饋進行測速，這樣就大大降低了改造難度，降低了使用故障，調速比能夠達到1:10。

2.2.3 用于起升機構控制邏輯功能簡介

用于起升機構的控制系統(tǒng)如圖5 所示，機械特性如圖6所示。

1)電源電路斷路器1Q1 用于對主起升機構電動機及調壓調速裝置提供短路及過載保護。

2)數字式定子調壓調速裝置是一個速度閉環(huán)的現代化交流調速系統(tǒng)，無需測速發(fā)電機和編碼器，而是采用電動機轉子頻率作為速度反饋信號。當設定電動機低速運行時，通過自動調節(jié)電動機定子電壓，使電動機穩(wěn)定運行在設定速度上。由于是閉環(huán)調速系統(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1KM11與1KM21 用于控制電動機的運行方向。正反向接觸器的動作均由THYROMAT 控制，其動作順序為機構上升運行時，正向接觸器1KM11吸合，電動機加上了正向相序，使電動機處于正向電動狀態(tài)，帶動機構正向起升。上升1、2、3擋為低速調速擋，速度分別設定為10%、20%、30%，上升4 擋為全速擋，此時輸出全電壓，控制電動機以額定速度運行。機構下降運行1—3擋時，首先正向接觸器1KM11吸合，通過調節(jié)電動機定子電壓，使電動機處于反接制動狀態(tài)，靠負荷拉動機構下降運行，以獲取低速運行。當吊運負荷重量很輕，無法拉動機構下降運行時，會自動進行檢測。當在1.5 s內，機構還未運轉，就自動判斷負荷為輕載，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，讓電動機處于反向電動狀態(tài)，達到設定速度。若由于某種原因吊運的負荷變重，會自動控制正反向接觸器回復到反接制動狀態(tài)。下降4 擋時，控制反向接觸器吸合，使電動機處于反向電動狀態(tài)，當負載重時，電動機速度超過同步速處于再生發(fā)電制動狀態(tài)。

控制手柄由下降4 擋回復到下降1—3擋時，會自動控制正反向接觸器在零電流的情況下迅速切換，讓電動機迅速進入反接制動狀態(tài)，制動負荷進入下降低速狀態(tài)。

4)轉子接觸器在每個電動機的轉子上均串接了電阻，用于消耗電機低速運行時產生的熱能，電阻器分為四段。上升調速擋時，1KM43吸合切除最后一段電阻，加大電機啟動力矩。上升4 擋時，通過THYROMAT 控制另外兩個轉子接觸器1KM42、1KM41分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電機平滑過渡到全速，又使切換電流得到控制。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，切換力矩足夠，增加了最后一段電阻，轉子四段電阻全部串聯(lián)到轉子上。當下降4 擋時，通過THYROMAT 控制另外兩個轉子接觸器分別在50%，75%速度下閉合，分別切除第二、第三段電阻，使電動機處于再生發(fā)電制動時速度限制在允許范圍內。

5)控制電路中還具有零位、失壓、限位等保護功能。

3 結語

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

這種調壓調速裝置的使用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、可靠。