一种新型起重机专用调速控制系统的研制*

杨晓兵，赵 斌

(1.新乡市市政设计研究院，河南 新乡 453003;2.河南机电高等专科学校，河南 新乡 453000)

1 背景分析

起重机调速技术已有了较长的发展历史，从直流调速到交流调速，从AC定子调速技术到DC晶闸管调速装置。但这些技术都存在着元件易损、维修不便、设备冲击大、调速范围小等许多缺点。进入20世纪90年代以来，变频调速技术的日臻成熟，以其调速范围大、结构简单、维修方便等优点，开始在起重领域得到广泛应用。然而变频调速也存在相当严重的缺点:过载能力低下、启动性能差，整个系统结构复杂，致使其经济性很差［1］。

国内目前在起重行业，对三相绕线式异步电动机常用的调速方式有转子绕组串电阻调速，晶闸管交流调压调速，变频调速等。转子绕组串电阻调速是利用凸轮、鼓形开关控制器不对称切除电阻，或用控制屏对称切除电阻等方式实现的低调速控制系统［2］。其特点是:能耗大、调速比小，但系统简单、价格低廉，是一种有效有级的低调速控制系统。但其机械特性较软、效率低、速度不稳、不能深调速。晶闸管调压调速是靠改变晶闸管的移相角来改变电动机的电压，从而达到调速目的。其特点是:价格适中，恒转矩无级调速，但效率随转速下降而成比例下降。其调速比相对较低可达到10:1，使用长期工作制及要求平滑启动、短时低速运行的场合。变频调速特点:调速比大、性能稳定、无级调速等优点。但其电路复杂，价格昂贵［3］。

据以上几种起重机调速器的特点、性能，我们在此设计了一种起重机专用的智能转子高频调速控制系统，该系统具有高调速比、低成本、高效率、线路简单等特点，具有广泛的应用前景。

2 控制系统工作原理［4］

起重机智能转子高频调速控制系统原理如图1所示，其工作过程分析如下。起重机轻载启动时，本系统不参与控制。在满负荷启动或高频开关故障时，旁路开关自动闭合，开关在通断直流电时容易产生弧光烧毁开关，旁路开关上安装有直流开关灭弧电路。当起重机在下降或制动状态时，控制器发出指令:电源开关停止给电动机定子供电，同时直流电源给电动机定子一小电流的他励励磁电流，电动机定子相当于一个电磁铁，此时电动机的转子转动，切割定子磁场时，产生较大的电动势，经三相整流桥转变成受控自励直流电源，由高频开关驱动电路驱动大功率高频开关进行积分、微积分、闭环大功率脉宽调制信号(PWM)分析处理，实现无级平滑电机转动调速，电动机转动后转子产生转子频率信号，经转子频率整形电路处理后送控制器对电机转速进行控制。转子频率信号经整形处理电路后的工作波形如图2所示。电动机靠切电阻调速工作，减少了启动电流对高频开关的冲击，提高了起重机工作的可靠性。

图1 起重机智能转子高频调速器工作原理图

图2 整形处理后的转子工作波形

3 关键技术调试

起重机智能转子高频调速控制系统主要由大功率高频开关的控制、驱动和保护，起重机转子频率采样及转换，大功率高频开关对起重机电机调速控制等几部分组成，对其中关键部分我们均已经进行了分析调试。由于该系统涉及电路较多，涉及技术较多，在此对驱动电路及采样波形进行分析。

该系统改进前后的大功率高频开关驱动电路波形如图3、图4所示。

图3 常用大功率高频开关的驱动电路及波形

改进前，在高频开关截止沿，有明显的震荡现象和反峰现象，此现象每个震荡相当于起重机的一次点动启动，大功率高频开关会发热严重，反尖峰容易造成大功率高频开关B极与E极击穿现象。

图4 改进后大功率高频开关的驱动电路及波形

电路改进后GTR功率管MQ1基极到发射极增加电阻R201(1/4W 10Ω碳膜电阻)，基极到集电极增加二极管D19(MUR3060)GTR功率管MQ2基极到发射极增加电阻R202(1/4W 10Ω碳膜电阻)，基极到集电极增加二极管D20(MUR3060)的驱动波形见图4。

图中可见，GTR功率管工作基极反冲尖峰消失、且截止沿没有了震荡现象，功率管发热量减弱，功率管B、E、PN皆工作在安全区。

整形处理前后的起重机转子频率采集信号波形如图5、图6所示。由图中明显看出整形后的波形平滑，起重机工作稳定。

4 结论

采用该系统进行起重机调速控制，启动平滑，启动电流小，调速范围宽，成本低，具有良好的启动性能、稳定调速性能、制动性能和实用性、经济性、控制技术性、环境适应性、安全可靠性等各方面性能，能够普遍地适用于各类用途的起重机，具有较大的推广价值。

［1］李伟，李瑞华.起重机智能控制的发展现状与思考［J］.煤矿机械，2006，(8):3 －4.

［2］张启君.中国工程起重机市场回顾及前景展望［J］.交通世界，2006，(1):62 －65.

［3］张玉之.变频调速技术在起重机调速系统中的应用［J］.自动化工程，2009，(10):63 －64.

［4］王德伟.智能控制在桥式起重机上的研究及应用［D］.武汉理工大学，2007.