定子调压调速在桥式起重机起升机构上的应用

潘锦平 黄伟兴

（广东省韶关钢铁集团有限公司，广东韶关512123）

0 引言

桥式起重机是桥架在高架轨道上运行的一种桥架型起重机，又称天车或行车。它是使用范围最广、数量最多的一种起重机械，广泛用于工业生产、交通、港口码头等场所。传统桥式起重机起升机构电气控制一般采取电动机转子回路串电阻调速，通过改变转子回路外接电阻值来获得不同转速。但此种控制方式存在启动时对机械冲击大、控制精度低、可调速范围小、故障率高等缺点，因此近年来逐渐被定子调压调速控制和变频调速控制系统代替。其中定子调压调速系统是通过改变电动机定子电压进行小范围调速，并配合在电动机转子回路串接电阻增大调速范围，启动时既减少了对机械的冲击，又能降低启动电流，同时增大启动转矩，便于精确定位操作。

本文将深入地对桥式起重机起升机构传统调速控制方式与定子调压调速控制方式的原理、优缺点进行比较和分析，并用实例证明，起升机构使用调压调速控制系统可靠性高、工作效率高、控制精度高。

1 基本原理

1.1 转子串电阻调速基本原理及优缺点

转子串电阻调速原理：三相异步电动机转子串入调速电阻，增大电动机的转差率，使电动机可低速运行。串入的电阻阻值越大，电动机的转速越低，属于有级调速且机械特性偏软。

转子串电阻调速优点：结构简单，成本较低，维修方便。

转子串电阻调速缺点：调速变化为阶梯式，对机械冲击大，控制精度低，可调速范围小，故障率高，低速机械特性软，调速的平滑性较差。

1.2 定子调压调速基本原理及优缺点

定子调压调速原理：通过控制定子回路晶闸管导通角来控制电动机定子电压，改变电动机的驱动力矩及运行速度。为了增大调速范围，同时降低定子电流，在调节电动机定子电压的同时，通过电机转子串接一定的电阻，再调节定子电压可改变电动机的运行点，让电动机的运行速度降低，达到调速的目的。电机转速由主令控制器给定，通过速度及电流反馈实现闭环控制。

定子调压调速优点：维护简单，成本较低，控制容易，可靠性高，调速的平滑性较好，电气和机械冲击均较小，故障率低。

定子调压调速缺点：低速功耗较大，发热量较大，需转子串接电阻扩大调速范围。

1.3 机械特性

1.3.1 三相异步电动机的固有机械特性

三相异步电动机的固有机械特性即自然机械特性，在不改变电源电压、电源频率及电动机参数时，电动机转速与转矩之间的关系如图1所示。它有如下特点：电动机制造完成后其Mmax、Sm就固定不变了，电动机的Me根据其通电持续率的不同而变化。从图1可以看出，电动机有两个不同的运行区域：在A～B段不稳定运行区域，随着转速降低，电动机力矩反而下降了；在B～C段稳定运行区域，随着转速降低，电动机力矩上升。通过上述分析得出以下结论：异步电动机固有机械特性不能直接用于驱动，异步电动机启动时必须降低启动电流，异步电动机必须运行于稳定运行区域，为了到达使用要求，必须人为改变异步电动机的机械特性。

图1 三相异步电动机固有机械特性

1.3.2 转子回路串接对称电阻的机械特性

由图2可见，增加转子调速电阻，可以改变Sm，改变启动转矩MQ，让电动机工作在稳定区域，降低电动机的启动电流，但不能改变Mmax。

1.3.3 降低定子电压的机械特性

由图3可见，降低定子电压，可以改变最大转矩Mmax，改变启动转矩MQ，降低启动电流，但不能改变Sm。需要注意的是，降低电动机定子电压运行，如果负载保持不变，电动机电流将大于额定电流，电动机容易烧毁，且调速范围较小，不能满足工作需求。为了增大调速范围，降低定子电流，在调节电动机定子电压的同时，通过电机转子串接一定的电阻，达到调速的目的。

电动机通过上述方式可以实现调速，但电动机机械特性太软，在低速档时定子电压过低电动机容易出现堵转。为了解决这个问题，必须组成闭环调压系统。

图3 三相异步电机降低定子电压的机械特性

1.4 闭环调压调速的基本工作原理

由图4所示，主令信号、来自电流电压变换及频率电压变换的信号经过控制单元处理，通过移相触发器形成触发脉冲，控制晶闸管的导通角，达到控制定子电压，从而控制电动机转速及转矩的目的。

图4 闭环调压调速原理

当主令控制器置于低速档位（1～3档）时，转子电阻串接在转子回路中，电动机处于闭环状态。当主令控制器置于高速档位（4档）时，电机进入开环工作状态，两个加速接触器分别在转速50%和75%时工作，分别将两段转子电阻切除，使得电动机平稳过渡到全速状态。当主令控制器回到其他档位时，两个加速接触器立即释放，将所有转子电阻串接在转子回路中，同时电动机进入闭环状态。

通过以上分析，我们可以知道定子调压调速系统有以下特点：

（1）可以调节电动机的速度；

（2）串接转子电阻后可以扩大调速范围，降低电动机启动电流，增大启动转矩；

（3）低速档位时必须采用闭环调速系统提高电动机机械特性的硬度。

2 实际应用

作者工作单位桥式起重机起升机构控制系统仍是使用传统电动机转子串电阻调速，故障率高，且操作人员操作起升机构时只要稍有不慎就会造成被吊物或设备设施的损坏，存在着较大的安全隐患，所以起升机构的改造势在必行。

2.1 调压调速装置安装调试

通过相关技术人员的讨论，决定先选定一台桥式起重机起升机构控制系统进行改造。经过与相关技术人员的深入探讨，出于经济性、通用性的考虑，最终决定使用上海某电气有限公司生产的调压调速装置。安装时间为共计10 h，安装过程顺利，未遇到任何技术问题，调试过程中各参数使用默认值即可达到工作条件。

2.2 使用情况

经过近5年的观察使用，改造后起升机构的平均故障率降低了9‰/年，故障时间减少了70 h/年，维修备件成本下降了80%，因起升机构造成被吊物或现场设备设施损坏的次数从3次/年降至0次/年。可见，定子调压调速比转子串电阻调速更可靠、故障率更低、更容易操作等。此次起升机构的改造达到了预想效果，今后将逐步推广到其他天车上使用。

3 结语

本文结合本次桥式起重机起升机构改造为调压调速后的使用情况，着重讲述了调压调速装置相比较于传统转子切电阻调速的优点。笔者认为，随着科技的进步发展，将来调压调速控制将会更广泛地应用于桥式起重机的各个控制系统中，逐步淘汰落后的转子切电阻调速，这样可以让设备的故障率更低、寿命更长，大大提高生产效率。

[1]张建民.机电一体化系统设计[M].4版.北京：高等教育出版社，2014.

[2]程宪平.机电传动与控制[M].4版.武汉：华中科技大学出版社，2016.

[3]上海共久电气有限公司.QY2T用户手册[Z].

[4]MH自动化国际公司.调压调速原理简介[Z].