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)過了長期的演變過程，人們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)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(diào)速方法，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，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，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。另外下降過程中無論負(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，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，是通過在定子上串聯(lián)反并聯(lián)晶閘管并控制其導(dǎo)通角來實(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。

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