起重机自激动力制动交流调速系统工程计算与设计

郑世静

（天水长城控制电器有限责任公司，甘肃 天水 741018）

近些年随着变频技术的发展，矢量控制、直接转矩控制技术的出现，使位能性负载使用变频调速控制方式成为现实，由于其优良的调速性能，被广泛地应用于起重机的控制系统中。但变频调速系统相对成本较高，维护及维修、备品备件的价格常常受制于制造商，系统对运行环境和操作维护都有较高的要求，在起重机行业推广应用受到一定限制。这里介绍一种可靠实用的交流调速控制方式——自激动力制动调速方式，这种调速方式能获得稳定的中、低速，过载倍数达到3倍，调速范围可达1:5以上，而且线路简单、成本低、节能、易于维护，适合于有调速要求，安装用桥式起重机上使用，尤其是电站用起重机。在系统设计和实际工程计算中，相对于他激系统，由于存在定、转子的电磁联系，使得系统机械特性和转子侧电阻等关键参数的工程计算比较困难，需按自激状态下通过多次等效变换进行计算求取。

1 原理简述

系统主线路如图1所示，先在异步电动机两相定子通以额定电流 3%～5%的直流电流，形成初励磁电流，利用负载自拉下降时，转子所产生的感应电流经三相整流供给定子绕组（此时通过连锁切断初励）而产生制动力矩，最终制动力矩与电机负载力矩达到平衡，电动机的转子电流，送人定子绕组的自激电流及电动机转速保持不变，电动机在自激动力制动状态下稳定运行。当改变转子电阻值时，会引起转子电流、自激电流的变化，从而引起制动转矩的变化，最终使电动机的转速发生变化。由于激磁电流自动的由电动机负载来调节，在负载变化较大的情况下，其速度变化范围很小，机械特性曲线平行移动，所以有较大的过载能力。

图1 自激动力制动主电路

2 机械特性计算

由于在自激动力制动状态下电动机定子电流是由转子感应电流经整流后送入定子绕组的，所以定子与转子之间不仅有磁路联系，还有电路联系，机械特性计算要按照等效电流、等效磁势的基本原则[1]推算。

依照异步电动机T型等值电路（图2）及电流相量图（图3），相对转速表达式及转矩表达式分别为

图2 异步电动机T型等值电路

图3 动力制动电流相量图

2.1 I1的推算

先将转子整流到定子的直流电流产生的不对称励磁电流系统用磁势幅值与它等效的对称三相交流电流系统来代替，按本线路的接线方法，定子通以直流的方式如图4，则有

令KZS=0.816为磁势等效系数／

则I1=KZSIZ

可将图1主线路图等效为图5，则得

图4 定子接线图

将上式代入式（1）可得

KF为分流系数[见式（5）]； Ke为电压变比；K Z L = 0 .816为三相桥整流系数。

将各值代入上式I1可近视为下式：

图5 主电路等效电路一

2.2 ∑ r2 ′的推算

在自激状态下，定子回路对转子参数有一定的影响，需将定子回路等效到转子边来，图5的等效电路可等效为图 6，等效是基于 a、b、c三点电位不变的原则，这样定子回路对转子的影响就可由等效电阻r1s来代替。

由图6可得

由图5可得

KZU为三相桥电压系数

由上式可得

转子每相分压点a、b、c以下的电阻为RF和r1s并联，用RFS表示，则 R F S = RF//r1s。

图6 主电路等效电路二

转子回路折算到定子侧的电阻就可由下式计算

由图6又可得出

2.3 Xμ的推算

式中， Eφ1为某一激磁电流时的激磁电势， Eφe为额定的激磁电势，Iμ为磁化电流，I0为额定磁化电流。

由T型等值电路及式（1）可得出计算Xμ的相对表达式

3 结论

本文所述机械特性计算方法，通过等值变换将定、转子电气参数进行了解耦，曾以22kW的YZR-225M-8电动机为研究对象，进行了理论计算值与实测值的比较（见图7）。排除负载与力矩折算误差，计算值与实测值基本相符，验证了该方法的正确性，此计算方法能满足工程设计的需要。

图7 下降自激动力制动状态下各档机械特性

在系统设计和实际工程计算中，转子侧电阻∑r′的工程计算由于存在定、转子的电磁联系，需要在自激状态下通过多次等效变换进行计算求取。本文给出的∑r′计算方法，从理论上解决了转子侧电阻的精确计算问题，从而确保了系统的调速性能，在水电站的 200T桥式起重机上，分别控制起升机构双电机，吊装定、转子，尤其在转子安装到定子的过程中，各档速度平稳，低速特性良好，在重型机械厂、轧钢厂等同类起重机上得到成功运用，验证了计算方法的正确性，具有较强的理论指导和工程应用价值。

[1]顾绳谷.电机与拖动基础[M].北京:机械工业出版社,2007.

[2]阿列克谢耶夫等(苏).起重机电气设备手册[M].北京:机械工业出版社.