定子调压调速系统原理和应用.docx
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定子调压调速系统原理和应用
定子调压调速系统原理及应用
1.1工作原理
定子调压调速控制器是把两种传统的调速方式有机地结合起来用于控制三相交流绕线电机：
Ø1～3档时通过控制定子回路晶闸管导通角来改变电动机定子电压；
Ø4档时通过改变电动机转子电阻，改变电动机的机械特性。
两种调速方式的结合产生了非常好的控制效果，两种方式的优点得到了充分的发挥。
1.1.1控制原理
定子调压调速控制器闭环控制的原理见图1-1，图中Ag为主令给定，F/V为频率电压变换，I/V为电流电压变换，MCU为单片机，AT为触发器。
图1-1
来自Ag、I/V、F/V的信号经过MCU处理通过AT形成触发脉冲控制晶闸管的导通角，达到控制电机定子电压，从而控制电机转矩的目的，也即实现对电机转速的控制。
控制器的晶闸管单元有五组反并联的晶闸管模块U、V、W、A、B。
U、V、W导通时，电机输出正向转矩；A、B、W导通时，电机输出反向转矩。
司机通过主令控制器给定电机转速，由速度反馈实现闭环控制。
不同系列的控制器运行方式基本相同，只是在细节上有所不同。
因此下面就介绍其运行方式。
1.1.2上升运行
●重载
主令置上升某档速度时，上升接触器先接通，电机得电建立力矩，随后制动器打开，电机启动，系统进入闭环控制状态。
此后只要主令置于上升调速档，通过主令的速度给定和速度反馈，系统都能很快使电机达到设定的速度。
主令置全速档时，系统进入开环状态，晶闸管全导通，电机平稳加速，当速度大于50%和75%时，分别切除两级转子电阻，使速度到达全速。
当主令回到调速档时，两级转子电阻同时接入，系统重新进入闭环控制。
由于负载本身很重，此时电机转矩小于负载转矩，电机迅速减至设定速度，并稳定运行。
当主令回到零位时，无论电机处于何种速度，制动器都立即制动。
制动器从开始动作到真正闭合需要一定的时间（液压抱闸一般在500ms左右），因此控制器延时一段时间再令电机断电。
●轻载
由于负载轻，因此减速和制动的运行状况和重载不同。
当主令从全速档回到调速档时，由于负载本身很轻（尤其是空钩时），电机转矩只是略小于负载转矩，因此减速时间很长，减到调速档一般需要数秒时间。
当主令回到零位时，和重载一样，制动器立即闭合。
1.1.3下降运行
●重载
当主令置下降调速档时，也是上升接触器先接通。
此时电机输出的是反向转矩，小于负载转矩，因此电机处于倒拉反转状态。
和上升相同，系统也是处于闭环控制状态，只要主令置于下降调速档，通过主令的速度给定和速度反馈，系统都能很快使电机达到设定的速度。
当主令置全速档时，上升接触器断开，下降接触器接通，系统进入开环状态，电机迅速加速，当速度大于50%和75%时，分别切除两级转子电阻。
电机的最终速度将略大于同步速度，处于再生发电状态。
当主令回到调速档时，两级转子电阻同时接入，下降接触器断开，上升接触器接通，系统重新进入闭环控制。
当主令回到零位时，和回到调速档一样，电机以反向转矩进行制动。
当电机速度接近零时，制动器制动，待制动器完全闭合后，电机才断电。
反向转矩制动减少了对制动器的磨损。
●轻载
由于负载轻，因此加速的运行状况和重载不同。
当主令置下降调速档时，控制器首先使上升接触器接通，再根据负载运行状态进行自动调整。
当负载较重时，电机可很快达到给定速度。
当负载较轻时，电机达到给定转速时间较长，此时控制器会使下降接触器接通，促使电机加速，当转速超过给定转速后，控制器再令上升接触器接通，这就是轻载判别过程。
当负载转矩与机械传动阻力矩接近时，会出现多次判别，这是正常现象。
1.1.4平移运行
当主令在某一调速档时，控制器在闭环控制下按该档速度运行，当受到某种阻力，如风力或桥架倾斜，控制器在闭环控制下仍然维持该档速度，若阻力消失，平移机构将被加速，当超过给定速度10%时，控制器使接触器换向，电机输出反向转矩，开始减速。
由于此时反向转矩不超过满载启动转矩，所以电机逐渐减速达到所要求的（略高于）速度，若此时平移机构受到前推力，则反向转矩用以保持速度，若没有前推力，控制器再次令接触器换向，平移机构正常运行。
在任何状态下，主令回零，控制器先令接触器换向，电机输出反向转矩进行电制动，速度接近零时，制动器制动。
控制器运行在某档速度，而主令置反方向档位，控制器先令接触器换向，电机以反向转矩进行制动，速度过零后，再加速至该档速度。
2.1起重机交流电气传动系统比较
起重机交流电气传动系统有转子串电阻、动力制动（也称能耗制动）、串级调速、转子脉冲调速、液压推动器调速、涡流制动器调速、定子调压调速、变频调速等。
现在在起重机交流电气传动系统中，广泛应用且成熟的主要有三种：
转子串电阻、定子调压调速和变频调速。
下面对这三种传动系统各项性能做一下比较，具体参见下表。
传动类型
传统转子串电阻系统
定子调压调速系统
变频调速系统
控制对象
绕线电机
绕线电机
变频电机
调速比
<1:
3
数字1:
20
模拟1:
10
一般可达1:
20
闭环系统时可更高
调速精度
/
较高
高
档位速度调整
不可以
数字：
可以
模拟：
不易实现
可以
机械特性
软
硬
开环：
较硬
闭环：
硬
调速能耗
大
较大
能量回馈式：
无
能量消耗式：
小
参数管理与
故障显示
无
数字：
有
模拟：
无
有
通讯接口
无
数字：
有
模拟：
无
有
外部设备
多，线路复杂
少，线路简单
少，线路简单
环境适应性
对环境要求低
对环境要求较低
对环境要求高
2.2转子电阻器的参数计算
升降机构转子电阻器的参数计算
1.步骤1根据起重机的载荷重量M，效率η，起升速度v（m/min），计算机构所需的实际功率PM：
2.步骤2根据电机的额定功率PN、实际功率PM、和转子额定电流I2N计算转子实际电流I2M：
3.步骤3根据转子开路电压E2和转子实际电流I2M计算转子电阻Re：
4.步骤4根据表3-6确定转子电阻器各段电阻值。
机构类别
电机功率状况
Re的百分数（%）
R1
R2
R3
R4
升降
电机功率裕度较大时
裕度较大时
9
11
16
大电机及功率裕度较小时
9
11
16
29
平移
30
表3-6
例：
一台起重机载荷重量M=10t（含吊具），起升速度v=5m/min，选电机为YZR180L-6，机械效率η=0.9，转子电压E2=218V，转子电流I2N=46.5A，电机额定功率PN=15KW
R1=0.09Re=0.09×4.46=0.41Ω
R2=0.11Re=0.11×4.46=0.49Ω
R3=0.16Re=0.16×4.46=0.71Ω
本例不设R4，参照图3-9。
升降机构电机转子电阻器的载流量，R1、R2、R3可按S3-100%，R4按S3-70%；R1按1.2I2M，R2、R3按1.1I2M，R4按1.0I2M计算。
平移机构转子电阻器的参数计算
由于计算实际机械功率下的实际转子电流往往比较困难，平移机构可根据额定功率下的额定转子电压和转子电流进行计算，平移机构一般无需进行电阻切换，如图3-10所示。
R=0.3Re
平移机构电机转子电阻器的载流量，可按S3-100%，
R的通流量按1.2I2N计算。
3.1常见故障及处理方法
3.1.1上升失速
对于升降机构，主令在上升档位时，负载没有上升，反而快速下降，控制器将立刻封锁输出，上升档速度低于60%时可检测该故障。
可能的原因及排查方法：
●电机力矩突然不足，可能是这段时间内供电电压太低。
●转子回路一相或二相开路。
●定子回路缺相。
●电机绕组断路。
3.1.2下降制动超时
对于升降机构，主令从下降档位回到零档时，电机速度没有在“制动时间”内减至零，控制器将立刻封锁输出。
可能的原因及排查方法：
●电机力矩突然不足，可能是这段时间内供电电压太低。
●负载重量大大超过了电机的额定载荷重量。
●电机转子一相或二相开路。
●制动时间设置不当。
3.1.3下降超速
对于升降机构，主令从下降4档进入其他档位时，负载继续快速下降，速度超过了同步转速的130%，控制器将立刻封锁输出。
可能的原因及排查方法：
●电机力矩突然不足，可能是这段时间内供电电压太低。
●负载重量大大超过了电机的额定载荷重量。
●电机转子一相或二相开路。
注：
上述故障中只要是与定子电流相关的故障，均应检查主回路实际电流，首先排除主回路电缆及电机原因，另外电流互感器的连接线及电流互感器本身有无问题也应仔细检查。
3.1.4溜钩
起重行业中升降机构发生溜钩（包括下滑）失控现象是很严重的故障，须在平常工作中做好预防措施。
溜钩（包括下滑）的现象有几种情况，其产生的原因有相同之处也有些本质的区别，分别就几种现象分析其原因及处理方法。
在溜钩（包括下滑）时，应首先判断主令回零位后能否停住，再具体分析其原因确定排除方法。
3.1.5快熔频繁熔断
主回路平均电流过大或瞬间电流太大，晶闸管换向装置设置的快熔保护频繁熔断。
●电机故障：
电机绕组对地或相间间短路。
●电机定子电缆故障:
电缆线短路。
●单方向工作时快熔频繁熔断，另一方向则不会：
某只晶闸管已被击穿，或某触发回路故障导致对应的晶闸管常导通，以致另一个方向晶闸管工作时出现相间短路。
3.1.6调速档速度正常，但电机声音异常，4档工作时正常
电机在调速档工作时，噪音较大，其余都正常，在4档时电机一切正常。
●某相晶闸管软击穿时，在调速档位时加在电机定子上的三相电压不平衡，导致电机定子三相电流不平衡，使电机声音异常，同时伴有电机发热现象，但电机速度正常。
⏹检查晶闸管，更换损坏的晶闸管。
●定子调压调速装置自身特性引起：
定子调压调速装置在调速档位时，其主回路输出电压波形为非正弦波，含有5次、7次等高次谐波，会产生高次谐波噪音，在机械传动中也会产生高次谐波噪音。
不同的电机对高次谐波敏感程度不一，往往是转子电流远大于定子电流的电机比较敏感，故在电机选型时应予以注意。
⏹在机械传动部分联轴器的选用上应尽量选择非钢性直接连接，以消除机械传动中的高次谐波噪音；在电机选型时，用定子调压调速装置驱动电机时，应避免选择转子电流大（相对定子电流而言），以降低高次谐波产生的噪音。
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