起重機(jī)自激動力制動交流調(diào)速系統(tǒng)工程計算與設(shè)計

鄭世靜

（天水長城控制電器有限責(zé)任公司，甘肅 天水 741018）

近些年隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)的出現(xiàn)，使位能性負(fù)載使用變頻調(diào)速控制方式成為現(xiàn)實，由于其優(yōu)良的調(diào)速性能，被廣泛地應(yīng)用于起重機(jī)的控制系統(tǒng)中。但變頻調(diào)速系統(tǒng)相對成本較高，維護(hù)及維修、備品備件的價格常常受制于制造商，系統(tǒng)對運(yùn)行環(huán)境和操作維護(hù)都有較高的要求，在起重機(jī)行業(yè)推廣應(yīng)用受到一定限制。這里介紹一種可靠實用的交流調(diào)速控制方式——自激動力制動調(diào)速方式，這種調(diào)速方式能獲得穩(wěn)定的中、低速，過載倍數(shù)達(dá)到3倍，調(diào)速范圍可達(dá)1:5以上，而且線路簡單、成本低、節(jié)能、易于維護(hù)，適合于有調(diào)速要求，安裝用橋式起重機(jī)上使用，尤其是電站用起重機(jī)。在系統(tǒng)設(shè)計和實際工程計算中，相對于他激系統(tǒng)，由于存在定、轉(zhuǎn)子的電磁聯(lián)系，使得系統(tǒng)機(jī)械特性和轉(zhuǎn)子側(cè)電阻等關(guān)鍵參數(shù)的工程計算比較困難，需按自激狀態(tài)下通過多次等效變換進(jìn)行計算求取。

1 原理簡述

系統(tǒng)主線路如圖1所示，先在異步電動機(jī)兩相定子通以額定電流 3%～5%的直流電流，形成初勵磁電流，利用負(fù)載自拉下降時，轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的感應(yīng)電流經(jīng)三相整流供給定子繞組（此時通過連鎖切斷初勵）而產(chǎn)生制動力矩，最終制動力矩與電機(jī)負(fù)載力矩達(dá)到平衡，電動機(jī)的轉(zhuǎn)子電流，送人定子繞組的自激電流及電動機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，電動機(jī)在自激動力制動狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)改變轉(zhuǎn)子電阻值時，會引起轉(zhuǎn)子電流、自激電流的變化，從而引起制動轉(zhuǎn)矩的變化，最終使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。由于激磁電流自動的由電動機(jī)負(fù)載來調(diào)節(jié)，在負(fù)載變化較大的情況下，其速度變化范圍很小，機(jī)械特性曲線平行移動，所以有較大的過載能力。

圖1 自激動力制動主電路

2 機(jī)械特性計算

由于在自激動力制動狀態(tài)下電動機(jī)定子電流是由轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流經(jīng)整流后送入定子繞組的，所以定子與轉(zhuǎn)子之間不僅有磁路聯(lián)系，還有電路聯(lián)系，機(jī)械特性計算要按照等效電流、等效磁勢的基本原則[1]推算。

依照異步電動機(jī)T型等值電路（圖2）及電流相量圖（圖3），相對轉(zhuǎn)速表達(dá)式及轉(zhuǎn)矩表達(dá)式分別為

圖2 異步電動機(jī)T型等值電路

圖3 動力制動電流相量圖

2.1 I1的推算

先將轉(zhuǎn)子整流到定子的直流電流產(chǎn)生的不對稱勵磁電流系統(tǒng)用磁勢幅值與它等效的對稱三相交流電流系統(tǒng)來代替，按本線路的接線方法，定子通以直流的方式如圖4，則有

令KZS=0.816為磁勢等效系數(shù)／

則I1=KZSIZ

可將圖1主線路圖等效為圖5，則得

圖4 定子接線圖

將上式代入式（1）可得

KF為分流系數(shù)[見式（5）]； Ke為電壓變比；K Z L = 0 .816為三相橋整流系數(shù)。

將各值代入上式I1可近視為下式：

圖5 主電路等效電路一

2.2 ∑ r2 ′的推算

在自激狀態(tài)下，定子回路對轉(zhuǎn)子參數(shù)有一定的影響，需將定子回路等效到轉(zhuǎn)子邊來，圖5的等效電路可等效為圖 6，等效是基于 a、b、c三點電位不變的原則，這樣定子回路對轉(zhuǎn)子的影響就可由等效電阻r1s來代替。

由圖6可得

由圖5可得

KZU為三相橋電壓系數(shù)

由上式可得

轉(zhuǎn)子每相分壓點a、b、c以下的電阻為RF和r1s并聯(lián)，用RFS表示，則 R F S = RF//r1s。

圖6 主電路等效電路二

轉(zhuǎn)子回路折算到定子側(cè)的電阻就可由下式計算

由圖6又可得出

2.3 Xμ的推算

式中， Eφ1為某一激磁電流時的激磁電勢， Eφe為額定的激磁電勢，Iμ為磁化電流，I0為額定磁化電流。

由T型等值電路及式（1）可得出計算Xμ的相對表達(dá)式

3 結(jié)論

本文所述機(jī)械特性計算方法，通過等值變換將定、轉(zhuǎn)子電氣參數(shù)進(jìn)行了解耦，曾以22kW的YZR-225M-8電動機(jī)為研究對象，進(jìn)行了理論計算值與實測值的比較（見圖7）。排除負(fù)載與力矩折算誤差，計算值與實測值基本相符，驗證了該方法的正確性，此計算方法能滿足工程設(shè)計的需要。

圖7 下降自激動力制動狀態(tài)下各檔機(jī)械特性

在系統(tǒng)設(shè)計和實際工程計算中，轉(zhuǎn)子側(cè)電阻∑r′的工程計算由于存在定、轉(zhuǎn)子的電磁聯(lián)系，需要在自激狀態(tài)下通過多次等效變換進(jìn)行計算求取。本文給出的∑r′計算方法，從理論上解決了轉(zhuǎn)子側(cè)電阻的精確計算問題，從而確保了系統(tǒng)的調(diào)速性能，在水電站的 200T橋式起重機(jī)上，分別控制起升機(jī)構(gòu)雙電機(jī)，吊裝定、轉(zhuǎn)子，尤其在轉(zhuǎn)子安裝到定子的過程中，各檔速度平穩(wěn)，低速特性良好，在重型機(jī)械廠、軋鋼廠等同類起重機(jī)上得到成功運(yùn)用，驗證了計算方法的正確性，具有較強(qiáng)的理論指導(dǎo)和工程應(yīng)用價值。

[1]顧繩谷.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]阿列克謝耶夫等(蘇).起重機(jī)電氣設(shè)備手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.