定子调压装置在320 t 天车上的应用

李鸿钧

（河钢集团宣钢公司， 河北 宣化 075100）

河钢集团宣钢公司（以下简称宣钢）150 t 炉区配套有5 部320/80 t 的天车系统，进行炼钢生产的液态金属进行调运转储，满足炼钢生产需求。其中2部天车安装在加料跨上，主要是为2 座转炉兑铁、加废钢、配合炉前检修作业等。1 部在出钢跨上，主要是吊运钢包进出精炼炉，钢水罐、铁水罐修砌吊运以及钢包车、过跨平车的吊运修理；1 部在钢水接收跨上，主要工作是给2 台连铸机上钢、退包倒渣、配合地面检修作业等。由于传统的接触器电气控制系统通过串电阻开环方式控制转速，其控制精度差；由于速度突变，对行车的机械系统及其电气系统造成很大冲击，故障率高。150 t 炉区的5 部320 t 天车全部采用了定子调压装置进行调速控制。该控制方式采用PLC 集中控制，垂直方向采用定子调压装置[1]和转子切电阻，水平方向采用变频器控制,该方式控制精度高、控制稳定性和平滑性好，天车控制平稳。

1 实施方案

1.1 运行环境和天车选型

宣钢150 t 炉区5 部320 t 天车分布为吊运铁水2 部、吊运钢水3 部，其中铁水车主要路径为将铁包在折罐、脱硫、转炉之间运转，钢水天车实现在转炉、精炼、连铸和热修间之见运转。天车所在跨参数如下表1 所示。

1.2 主要结构和运动形式

天车系统的主要结构如图1 所示，其运动形式主要有实现重物在垂直、横向、纵向三个方向的运动。垂直方向主要实现使用钢丝绳控制系统将钢包和铁包从地上或者平车上吊离或者放下，在升降重物时由起重电动机驱动作垂直上下运动；横向主要实现天车小车在横向方向的移动，小车及提升机构由小车电动机驱动沿桥架上的轨道作横向左右运动；纵向主要实现天车大车在沿着跨方向的移动，起重机由大车电动机驱动沿车间两边的轨道作纵向前后运动。

表1 天车选型

图1 主要控制结构

1.3 工作条件和特点

起重机定子调压调速控制装置主要用于交流起重机三相绕线异步电动机在四象限内进行转速的有级或无级调速。控制装置与主令控制器、转子接触器、转子电阻、测速发电机等组成完整的控制系统，用于控制和保护起重机起升机构、回转机构、平移机构三相绕线异步电动机的起动、调速、换向和制动。无级调速范围0～100%，定子换相由闸晶管完成，死区时间小、换向快速、保护环节完善、使用安全可靠。特别适宜大型专业起重机，如冶金、安装、港口及电站用门座起重机等要求高调速性能的场合应用。

正常工作条件为，进线电压被波动范围不超过额定值的±10%，频率波动不超过±2%。主要特点为，具有较高的调速性能指标，调速范围D≥30 Hz，速度变化率S＜3%；可控制大容量电动机，最大功率可达2×200 kW；设有最大电流限定值,使设备免受尖峰转矩的冲击；具有完整的保护监测系统。包括主回路相序、电压监测、过载、限位、预限位、紧急停车、正反向电气联锁、超速保护、故障自诊断等；转矩故障保护环节来监测整个系统。包括对速度给定系统和速度反馈系统进行监控，也能对内部电源故障进行监控；功能单元连接可靠、便于维修；采用风扇和通风窗散热，保证控制装置可靠。

1.4 工作原理

起重机定子调压装置的工作原理为当改变电动机的定子电压时可以得到一组不同的机械特性曲线从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型电动机，如专供调压调速用的力矩电动机或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2∶1以上的场合应采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速的特点：调压调速线路简单，易实现自动控制；调压过程中转差功率以发热形式消耗在转子电阻中，效率较低。调压调速一般适用于100 kW 以下的生产机械。恒转矩特性的负载，电动机只能在机械特性的直线区域稳定运行，而对于风机泵类负载，电动机则在机械特性的全范围内都能稳定运行，因此定子调压调速比较适合于风机泵类特性的负载，可以获得较宽的调速范围。但也存在着低速下功率因数低、电流大、效率低等问题。

1.5 工作过程

定子调压装置将一次调电压和二次切电阻两种传统的调速方式相结合，取得了良好的效果。

通过改变定子相位角改变定子电压，通过控制三对反并联的可控硅导通，实现电动机定子电压调节，在调压过程中，定子电压频率始终与供电电源电压一致。通过控制定子相角改变基波的幅值，随着电动机加压，机构平稳加速。在减速过程中实现快速制动效果。它的优点为无触点控制、降压启动保电机、实时监测电流故障相应快。

通过改变转子电阻实现调速，电动机特性曲线随着转子电阻的改变而改变，但是临界转矩保持不变，可以将特定负载控制在不同的速度下，控制启动电流小、对电机伤害小。定子调压装置拥有速度和电流双闭环，在速度启动时先升电压，待速度平稳达值才切断电阻信号，在实现平滑调速的同时，避免冲击电流。

1.6 常见故障分析

1）转子反馈丢失故障[2]。转子反馈是电机速度闭环的速度反馈，主要来自电机三相转子的任意两项。转子频率与转子转速成反比，与电机滑差成正比。根据实际使用情况，该故障的主要原因有正反接触器故障、转子反馈电缆短路或者断路。

2）电流不平衡故障。电流不平衡故障可以从调速装置记录中得到，一般原因为供电电源相位不平衡、可控硅故障[3]、绕组或者电阻故障，根据使用经验，电流不平衡故障多为可控硅被击穿导致。

3）制动超时故障。当主令操作回零，装置机构不能正常控制，此时进行报闸停机保护。主要的故障原因为超出负荷或者参数设置故障。

4）制动器打不开。制动器主要通过接触器吸合得电打开。此故障原因多为钢厂环境恶劣，高温、粉尘较多导致接触器机械易犯卡、铁心易粘合，造成接触器不能正常打开，可更换接触器解决该故障。

5）主钩不起或者不落。垂直方向控制涉及到的设备有主令、上升限位、称重限制器、继电器等。其中任何一个设备损坏，都可能导致该故障发生。根据实际使用情况，大多数是由于限位损坏或者不灵敏导致的该故障。一般通过检查限位开关和继电器可排除改故障。

3 结语

宣钢150 t 炉区320 t 天车使用定子调压装置以来，运行效果良好。该定子调压装置是150 t 炉区天车设备的灵魂，提供了一种从零转速开始且与负载无关的速度控制、同时转矩响应迅速平滑减速、制动系统自动响应，减少了机械冲击及制动器和接触器的磨损。为炼钢铁水和钢水高效率转运，提高生产效率均发挥了极其重要的作用。