摘要：冶金桥式起重机作为钢铁生产流程中的核心设备，其起升机构的调速性能直接决定了生产效率、运行安全性及设备使用寿命。传统绕线式异步电动机转子串电阻调速方案存在的效率低下、调速有级、机械冲击大和维护频繁等固有缺陷，文章深入研究了一种基于可控硅定子调压调速的先进控制技术，系统阐述了定子调压调速的工作原理与机械特性，设计了一套以可编程逻辑控制器（PLC）为控制核心、以反并联可控硅为执行元件的调速系统，并详细分析了其速度-电流双闭环控制策略。工业应用结果表明，该装置能够实现起重机的宽范围、无级平滑调速，尤其具备卓越的低速稳定性与显著的节能效果，为提升冶金起重机的自动化水平与综合性能提供了有效的技术解决方案。

　　关键词：起重机；可控硅；定子调压

　　冶金桥式起重机常处于高温、多粉尘、重载及频繁启制动的极端工况下，对其起升机构的可靠性、调速精度及动态响应能力提出了极苛刻的要求[1]。传统的调速方案普遍采用绕线式异步电动机转子回路串接多级电阻的方法，通过切换电阻值来改变电机转速[2]。尽管该方法结构简单、初始投资低，其固有的缺点严重制约了现代冶金生产的高效与安全需求，首先，能量损耗严重，大量转差功率以热能形式消耗在电阻箱上，系统效率低下；其次，调速呈有级阶梯状，在切换电阻时会产生电流与机械冲击，影响重物吊运的平稳性；再次，接触器、电阻器等元件动作频繁，故障率高，维护工作量大[3]。

　　1可控硅定子调压调速原理与特性分析

　　1.1工作原理

　　定子调压调速的基本原理是异步电动机的电磁转矩与定子端电压的平方成正比（T∝U12）。通过控制三相反并联可控硅的触发角α,连续改变施加在电动机定子绕组上的交流电压有效值U1，从而获得一条向下平移的机械特性曲线。对于恒转矩负载，在不同的定子电压下，系统将稳定运行于不同的转速点，从而实现调速。

　　1.2系统构成

　　一套完整的定子调压调速装置通常包括：①主电路：由三组反并联的可控硅模块构成交流调压器，串联于电机定子供电回路中；②控制核心：采用PLC或专用微处理器，负责逻辑控制、速度给定处理、双闭环PID运算及触发脉冲生成；③检测单元：包括装于电机轴端的旋转编码器（用于速度反馈）和电流互感器（用于电流反馈与保护）；④人机界面：触摸屏或联动台，用于操作指令下发与运行参数显示。

　　1.3技术优势分析

　　与转子串电阻调速相比，定子调压调速方案具备以下突出优势：①平滑无级调速，实现了从零速到基速的连续调节，彻底消除了换挡冲击；②卓越的低速性能，低速时转矩恒定且运行稳定，完美满足“微动”吊装要求；③高能效，转差功率消耗在电机内部，避免了外部电阻的巨大热能损耗，节能效果显著；④高可靠性，采用无触点控制，减少了机械式电器元件，系统寿命长，维护成本低。

　　1.4控制策略

　　主电路采用三相可控硅交流调压拓扑。为承受冶金起重机频繁重载起动的冲击，可控硅的额定电压和电流需留有足够安全裕量（通常为2~3倍），并配备阻容吸收网络（RC Snubber）和快速熔断器，以有效抑制换相过电压和提供短路保护。

　　为实现高动态性能的调速，采用核心控制策略：速度、电流双闭环控制结构。速度外环：PLC接收来自主令控制器的速度给定信号，并与旋转编码器反馈的实际转速进行比较，其偏差经速度PID调节器运算后，输出作为电流内环的给定值。该环保证了转速稳态精度和无静差跟踪性能。电流内环：电流内环接收速度环的输出指令，并与电流互感器检测到的定子电流实时值进行比较，其偏差经电流PID调节器运算后，直接控制晶闸管触发角的移相，从而快速调节电机转矩。电流内环响应速度快，能有效抑制电网电压波动带来的干扰，并实现起动电流的自动限幅。

　　2应用SIMOTRAS HD 6SG系列定子调压系统

　　2.1转子电阻及滑差值

　　转子电阻及滑差值如表1所示。

　　2.2运行特性

　　SIMOTRAS HD重型传动装置的速度控制分为闭环与开环两种模式，其闭环速度控制的可调范围设定为额定速度的50%~60%，超出该闭环控制范围的运行区域，采用转子电阻切换的开环控制特性。

　　速度给定方式包含电位器给定、多级指令开关给定及PROFIBUS DP通讯给定三种，低速挡位对应的速度等级为额定转速的10%、25%、50%（亦可选择40%~60%作为可选挡位），第四挡为额定转速挡。主令装置的有级给定挡位配置为4-0-4（正向4挡、零位、反向4挡），无级给定挡位配置为1-0-1（正向1挡、零位、反向1挡），其控制逻辑遵循对称闭合规则。针对两台采用机械连接的驱动机构，可配置为主从运行模式以实现协同控制。

　　上升方向电动机工作在电动状态。下降一、二、三挡，为反接制动状态（重载）或电动状态（空载）。下降第四挡电动机工作在发电制动状态或电动状态（空载）上升和下降方向最大调速比20:1。起升机械特性曲线如图1所示。

　　3应用ASTAT 3AS系列定子调压系统

　　3.1转子电阻及滑差值

　　转子电阻及滑差值如表2所示。

　　3.2运行特性

　　ASTAT为ABB公司设计的一种三相定子电压调节速度控制系统。该系统在电动机的主电路中集成了五组晶闸管模块，通过双向晶闸管实现换向功能，支持四象限操作模式。其电路结构为可逆不对称型。对于速度反馈机制的选择，用户可根据需求采用转子频率、测速发电机或脉冲编码器作为反馈元件。系统提供了1、2、3挡位用于低速运行，在这些挡位下实行闭环控制；而第4挡则为开环控制模式，适用于全速运转状态。

　　低速挡速度为额定转速10%、25%、50%。主令有级给定挡位数为4-0-4，无级给定挡位数为1-0-1，对称闭合表。ASTAT闭环速度控制范围为额定速度的60%（可以选择），在闭环速度控制范围之外采用转子切电阻的开环控制特性。

　　对于由两个刚性连接组成的驱动系统，可采用主从模式进行操作。在启动阶段，当上升至第一挡时，所需的起动转矩约为额定值的1.5~2.1倍；同时，在起动及加速切换过程中，电流会达到约2.5倍于其额定水平。

　　转子电阻呈现为三相对称结构，其级别最多可达三级（即四段），但在实际应用中通常采用二级（三段）配置。此设置适用于上升和下降全过程。

　　在加速过程中，依据速度反馈值的变化，系统将自动逐步减少（通过短接方式）转子电阻。上升方向一、第二挡与第三挡设定为低速运行模式，而第四挡则对应全速运行状态，在这些设置下，电动机均处于驱动运行条件。此外，对于下降过程，则分别设有一、二、三挡位。

　　在低速挡位下，电动机依据负载情况分别处于反接制动（当负载较大时）或正常驱动模式（无负载情况下）。此外，下降方向的第四挡设置为在全速挡位下，电动机可以在发电制动模式（如重载情况）或电动模式（如空载）运行。

　　4应用THYROMAT系列定子调压系统

　　4.1转子电阻及滑差值

　　转子电阻及滑差值如表3所示。

　　4.2运行特性

　　在THYROMAT系统中，电源组件与定子以串联方式连接。通过调节各相位上可控硅的触发角，控制系统能够调整施加于电机定子上的电压值。该系统的速度调控基于对转子频率的监测实现，并且借助外部换向接触器，在零电流状态下完成切换过程。

　　THYROMAT数字式定子调压调速系统支持四象限运行模式。其中，1、2、3挡位被设定为低速运行状态，并采用闭环控制策略；而第4挡则代表全速运行，此时系统切换至开环控制方式。对于速度给定值的设置，该装置提供了四个选项：额定转速的10%、20%、30%，以及最大值即100%。

　　两个加速接触器分别在25Hz（即额定速度的50%）和12.5Hz（对应于75%的速度）时启动，以实现平稳地从静止状态达到全速运转。在此过程中，峰值切换电流被控制在不超过最大负载电流两倍的水平。该系统支持的最大调速范围为20:1，适用于上升与下降两种运行模式。此外，低速挡位下的转速可以在额定速度的5%~60%任意调节。

　　电动机在进入第一挡时，其启动转矩大致相当于额定转矩的1.5~1.8倍。在此过程中，设备允许的最大初始电压为额定值的80%。值得注意的是，这一最大初始电压的具体数值可以在70%~100%之间以1%为增量进行调整。

　　启动电阻设计为三相对称的两级（即三段）结构。在加速至全速或减速过程中，依据转子频率反馈值（分别为25Hz与12.5Hz），通过转子接触器自动逐级移除（即短接）转子电阻。关于转子电阻移除时电动机的速度（以转子频率表示），可在额定速度的40%~60%，以及70%~100%区间内，以1%为步长进行设定。

　　电动机在上升过程中始终处于驱动模式。当设备下降时，第一至第三挡位被设定为低速运行，在此期间，根据负载情况的不同，电动机可能采取反接制动（适用于重载情形）或继续维持驱动状态（适用于轻载或无负载）。第四挡则允许电动机以全速运作，并依据实际工作条件切换至发电制动模式或保持原有的驱动机制。此外，系统允许用户在2~6s之间，以1s为间隔调整满载条件下的加速时间。关于过电流保护措施，其触发阈值设定于额定电流的2.25~2.5倍。而超速防护装置则会在转速超出额定值1.3倍时激活。

　　5应用效果

　　5.1调速性能

　　起重机实现了全程平滑调速，起动、变速平稳，司机操作体验显著改善。低速微动功能稳定可靠，重物就位精度大幅提高，完全满足了精炼炉兑铁水等精细作业要求。

　　5.2节能效益

　　经过一段时间的能耗数据统计，新系统相较于旧系统，平均节能率达到25%以上，经济效益显著。

　　5.3设备可靠性

　　系统投运后，因调速系统引起的故障停机时间降为零，日常维护工作从每月检修延长至每季度巡检，维护成本降低约60%。

　　6结束语

　　本研究成功地将定子调压调速技术应用于冶金桥式起重机，实践表明该技术方案能够彻底克服传统转子串电阻调速的固有缺点，实现起重机的高性能、无级平滑调速。采用速度-电流双闭环控制策略，系统动态响应快、抗干扰能力强，低速转矩大，运行稳定，特别符合冶金起重机苛刻的工况要求。该装置节能效果显著，可靠性高，维护量小，具有极高的推广应用价值。展望未来，可将定子调压系统与采用矢量控制的变频调速系统进行更深入的对比经济性与技术性分析，以明确各自在不同应用场景下的优势边界。同时，将该系统与设备状态监测和远程运维平台相结合，实现预测性维护，是智慧钢厂建设中起重机管理的重要发展方向。

参考文献

　　［1］王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）［M］.北京：机械工业出版社，2009.

　　［2］阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统——运动控制系统（第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2016.

　　［3］白晶，吴勇.电力拖动自动控制系统习题集［M］.北京：机械工业出版社，2012.