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摘要：随着经济的高速发展，建筑施工、港口货运、冶金角度其它行业对起重机的需求的依赖越发增大，并向大型化，自动化和多功能复杂化方向发展。其必然的结果是对用电耗能的需求量急剧增加，但同时全球的能量危机在不断的恶化。节能减排也被我国定为一项国策推行，那么如何提高起重机的能量利用率，减少其用电量，达到节能降耗的目标，已成为行业内一个思考、研究的焦点。下面就以传统的接触器控制方式及目前广泛使用的闭环定子调压调速控制方式的工作原理及对能耗方面的影响进行讨论。
关键词：起重机 电机定子调压调速、晶闸管、变频器
引言
电机为起重机的驱动动力来源，同时也是起重机最大的耗能器件，其能耗量占总台起重机能耗的90%以上。从其能量转化利用的角度来看，目前国内总体的能量利用率仍然较认低，所以如何把电能有效的转化为电机的有效动能输出成为节能研究的关键所在。
起重机作作特种设备，其使用之异步电动机须能承受频繁起动、制动及逆转，经受机械振动及冲击，能在金属粉尘与高温环境下工作，并有较大的过载能力（Tmax须达2.5～3.0倍Tn），通常为绕线式电动机。言而单纯的依靠制造工艺的提升及形态设计手段提高电动机运行效率的改进空间已越来越小的矛盾也随着时间推移越发凸显，通过引入大功率半导体器件技术结合数字化技术，对原有控制方式的技术改造成为一个研究的新方向，并使电动机的节能控制得到很大的改善空间，同时提升控制系统的可靠性，减少其故障率。
1接触器控制方式
传统的接触器控制方式其动态过程：由主令控制器发出指令，控制屏中接收到指令后，由控制屏中的接触器、继电器、时间继电器组合而成的控制回路控制电动机完成电机的起动、停止、逆转及电阻器切换调速等动作。
其工作原理为：启动时串以大电阻值以提高电动机的起升力矩，制动时接采用反接制动，在主令控制器进行档位切换的调速过程中，依靠时间继电器及手动切换转子串电阻以达到调节速度的目的。此控制方式为开环控制，很大程度依赖操作人员的操作经验，起重机的频繁启动、停止，其电流变化很大，对电网及电动机本身造成冲击及损害，影响电动机的使用寿命，并对电网不利，同时为保证起重机的负载性能，无论是在重载情况还是在轻载情况，其电动机输出功率都保持在相对较高的状态，造成能量的浪费。在其切电阻调速的过程中有一部分功率消耗在调节电阻器内，使运行效率降低，调速过程中转速越低，损耗越大（转子铜耗与转差有关，转差越大，转子铜耗越大Pcu2=S•Pem）。
此控制方式的能量耗损分为：大量的电气元件器（继电器、接触器等）组合的电能耗损，电机频繁启、停过程中的电能耗损，电阻器的功率耗损。
2闭环定子调压调速控制方式
目前大功率半导体器件及数字技术的发展及融合，使得可控硅定子调压为主，并辅以转子串电阻的控制技术得以开发利用，并作为一种新型、可靠的起升机控制技术推广、应用。其控制思想：主令控制器发出指令，数字化控制器把电机反馈装置反馈回来的信息与收到的指令对比，如一致则保持现有输出状态，如不一致则调整双向可控硅的输出状态及调整转子串电阻值，使用电机反馈回来的状态与指令要求保持一致。
双向可控硅的组合应用，使得无需使用接触器即可快速转换电机相序，使电 动机的快速换向得以实现；如图1所示：正向转矩由可控硅1、2、3组合获得，反向转矩由可控硅1、4、5组合获得，其的转换转矩的变换时间小于20ms。
由上表达式可知：电动机的结构参数（r、x、m、p）不变，运行参数（s）不变，且电源频率参数（f）一定时电动机的输出转矩Tem与电动机定子电压U1的平方成正比。
不同定子电压时的运行特性(转速—力矩)曲线图参见图2
图2中纵坐标表示电动机转速，横坐标表示电动机的转矩，蓝色线为设定的负载线，绿色线为电动机定子电压为100%额定电压时的特性曲线，红色线的电动机定子电压为80%额定电压时的特性曲线。如图2所示，负载一定时，当定子电压从100%降到80%时，电动机的稳定转速从78%的同步速度降为63%的同步速度。由此可得：通过调节电动机定子电压，增大或减小电动机的转矩，可以达到调整电动机在一定负载中的稳定转速。
但是在降低定子电压得到低速时，由于转差率S将增大，因此电动机电流随着转差率S的增大而增大，这样转差功耗就全部消耗在电动机内部，从而引起电动机严重发热。为了能在恒转矩负载下扩大变压调速的范围，增大电动机的启动力矩，使电机在较低速度下获得更大力矩稳定运行而又不致使电机严重发热，就要求电动机转子绕组有较高的电阻值。即通过优化转子电阻值进行转子控制，使电动机获得适当的特性（在满足转矩要求的条件下，电流始终保持在最小的范围内，特别在低速运行时得到很好的节能效果）。
转子串电阻的動行特性曲（转速—转矩）线图见图3 ：
图3中纵坐标表示电动机转速，横坐标表示电动机的转矩，蓝色线为设定的负载线，三条绿色线表示转子串不同阻值时的特性曲线(（R=1）<（R=5）<（R=15）)。如图3所示，通过改变转子串电阻，就可能获得92%和57%的上升速度及38%的下降速度；而当电动机以较同步电动机略高的转速（图3为同步转度的107%）下降时，电动机运行于发电状态，将能量反馈回电网。
此原理在传统的接触器控制回路中已得到应用，但因其为开环、手动控制，所以切换的时机偏差造成能量的浪费，在定子调压调速系统中完全由调控系统自动运算并自动控制电阻器的切换过程，最大限度的减少不必要的能量消耗。
闭环定子调压调速系统动态过程：当电动机稳定运行在要求的速度时，一旦负载增大，电动机在负载的拖动下速度变慢，其速度反馈把电动的运行情况反馈回控制系统，闭环控制系统中的给定值保持不变，则控制器中的速度调节器的输入由于速度反馈的下降而增大，同时经过控制器的PID调节器积分计算，自动切换到较大的转子串电阻值，并增加晶闸管导通向，因而电动机定子电压提高，电动机输出力矩增大，电动机开始加速，电动机加速的过程中，控制系统不断对比输入给定值与反馈信号，并自动计算、切换转子的串电阻值，以达到满足转矩要求的条件下，以最小的电流运行。当速度达到要求值时，速度反馈与给定值相等，速度调节器输出值不再变化，晶闸管导通角不变，电动机电压也不再升高，转子串电阻值切换停止，电动机力矩与负载力矩达到平衡，电动机又稳定运行在给定值所确定的速度上。
此控制方式在电动机的启动、调速、停止、转向的过程中，通过反馈装置把电动机的运行状态反馈到控制器，并通过PID调节器的运算、调节，达到满足负载力矩要求的条件下，以最小的电流运行的目的。对比传统接触器控制方式，减少了大量接触器件的耗能，电机的启动电流得到更有效的抑制，减少启动过程的能耗，停止时经过控制器的准确计算，减少多余动能的浪费，并降低停止时对设备的冲击，调速过程中电机的电流得到严格的控制，使转化成电动机的发热能量损耗降到最低；此控制方式从电动机的各个运行状态中通过监控电机状态，并经过严格计算降低电能的耗损，提高电动机电能的利用率。
3结语
随着各方面的技术的发展，起重机的节能控制方式得到更广泛、更深入的研究和开发，将会有更先进、能耗更大的起重机控制系统得开发应用。已被广泛应用于笼式电动机的节能控制的变频器控制，随着变频器的矢量控制方式、力矩控制方式的技术成熟、技术融合，配合近年来随着高电压电机的开发，硅铝合金或铝锰合金压铸笼型转子电动的研发，现在正在研究更理想的控制方式，以达到起重机起升机构控制的特殊要求，并成为满足人们对起重机的节能控制要求另一方向。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：起重机 电机定子调压调速、晶闸管、变频器
引言
电机为起重机的驱动动力来源，同时也是起重机最大的耗能器件，其能耗量占总台起重机能耗的90%以上。从其能量转化利用的角度来看，目前国内总体的能量利用率仍然较认低，所以如何把电能有效的转化为电机的有效动能输出成为节能研究的关键所在。
起重机作作特种设备，其使用之异步电动机须能承受频繁起动、制动及逆转，经受机械振动及冲击，能在金属粉尘与高温环境下工作，并有较大的过载能力（Tmax须达2.5～3.0倍Tn），通常为绕线式电动机。言而单纯的依靠制造工艺的提升及形态设计手段提高电动机运行效率的改进空间已越来越小的矛盾也随着时间推移越发凸显，通过引入大功率半导体器件技术结合数字化技术，对原有控制方式的技术改造成为一个研究的新方向，并使电动机的节能控制得到很大的改善空间，同时提升控制系统的可靠性，减少其故障率。
1接触器控制方式
传统的接触器控制方式其动态过程：由主令控制器发出指令，控制屏中接收到指令后，由控制屏中的接触器、继电器、时间继电器组合而成的控制回路控制电动机完成电机的起动、停止、逆转及电阻器切换调速等动作。
其工作原理为：启动时串以大电阻值以提高电动机的起升力矩，制动时接采用反接制动，在主令控制器进行档位切换的调速过程中，依靠时间继电器及手动切换转子串电阻以达到调节速度的目的。此控制方式为开环控制，很大程度依赖操作人员的操作经验，起重机的频繁启动、停止，其电流变化很大，对电网及电动机本身造成冲击及损害，影响电动机的使用寿命，并对电网不利，同时为保证起重机的负载性能，无论是在重载情况还是在轻载情况，其电动机输出功率都保持在相对较高的状态，造成能量的浪费。在其切电阻调速的过程中有一部分功率消耗在调节电阻器内，使运行效率降低，调速过程中转速越低，损耗越大（转子铜耗与转差有关，转差越大，转子铜耗越大Pcu2=S•Pem）。
此控制方式的能量耗损分为：大量的电气元件器（继电器、接触器等）组合的电能耗损，电机频繁启、停过程中的电能耗损，电阻器的功率耗损。
2闭环定子调压调速控制方式
目前大功率半导体器件及数字技术的发展及融合，使得可控硅定子调压为主，并辅以转子串电阻的控制技术得以开发利用，并作为一种新型、可靠的起升机控制技术推广、应用。其控制思想：主令控制器发出指令，数字化控制器把电机反馈装置反馈回来的信息与收到的指令对比，如一致则保持现有输出状态，如不一致则调整双向可控硅的输出状态及调整转子串电阻值，使用电机反馈回来的状态与指令要求保持一致。
双向可控硅的组合应用，使得无需使用接触器即可快速转换电机相序，使电 动机的快速换向得以实现；如图1所示：正向转矩由可控硅1、2、3组合获得，反向转矩由可控硅1、4、5组合获得，其的转换转矩的变换时间小于20ms。
由上表达式可知：电动机的结构参数（r、x、m、p）不变，运行参数（s）不变，且电源频率参数（f）一定时电动机的输出转矩Tem与电动机定子电压U1的平方成正比。
不同定子电压时的运行特性(转速—力矩)曲线图参见图2
图2中纵坐标表示电动机转速，横坐标表示电动机的转矩，蓝色线为设定的负载线，绿色线为电动机定子电压为100%额定电压时的特性曲线，红色线的电动机定子电压为80%额定电压时的特性曲线。如图2所示，负载一定时，当定子电压从100%降到80%时，电动机的稳定转速从78%的同步速度降为63%的同步速度。由此可得：通过调节电动机定子电压，增大或减小电动机的转矩，可以达到调整电动机在一定负载中的稳定转速。
但是在降低定子电压得到低速时，由于转差率S将增大，因此电动机电流随着转差率S的增大而增大，这样转差功耗就全部消耗在电动机内部，从而引起电动机严重发热。为了能在恒转矩负载下扩大变压调速的范围，增大电动机的启动力矩，使电机在较低速度下获得更大力矩稳定运行而又不致使电机严重发热，就要求电动机转子绕组有较高的电阻值。即通过优化转子电阻值进行转子控制，使电动机获得适当的特性（在满足转矩要求的条件下，电流始终保持在最小的范围内，特别在低速运行时得到很好的节能效果）。
转子串电阻的動行特性曲（转速—转矩）线图见图3 ：
图3中纵坐标表示电动机转速，横坐标表示电动机的转矩，蓝色线为设定的负载线，三条绿色线表示转子串不同阻值时的特性曲线(（R=1）<（R=5）<（R=15）)。如图3所示，通过改变转子串电阻，就可能获得92%和57%的上升速度及38%的下降速度；而当电动机以较同步电动机略高的转速（图3为同步转度的107%）下降时，电动机运行于发电状态，将能量反馈回电网。
此原理在传统的接触器控制回路中已得到应用，但因其为开环、手动控制，所以切换的时机偏差造成能量的浪费，在定子调压调速系统中完全由调控系统自动运算并自动控制电阻器的切换过程，最大限度的减少不必要的能量消耗。
闭环定子调压调速系统动态过程：当电动机稳定运行在要求的速度时，一旦负载增大，电动机在负载的拖动下速度变慢，其速度反馈把电动的运行情况反馈回控制系统，闭环控制系统中的给定值保持不变，则控制器中的速度调节器的输入由于速度反馈的下降而增大，同时经过控制器的PID调节器积分计算，自动切换到较大的转子串电阻值，并增加晶闸管导通向，因而电动机定子电压提高，电动机输出力矩增大，电动机开始加速，电动机加速的过程中，控制系统不断对比输入给定值与反馈信号，并自动计算、切换转子的串电阻值，以达到满足转矩要求的条件下，以最小的电流运行。当速度达到要求值时，速度反馈与给定值相等，速度调节器输出值不再变化，晶闸管导通角不变，电动机电压也不再升高，转子串电阻值切换停止，电动机力矩与负载力矩达到平衡，电动机又稳定运行在给定值所确定的速度上。
此控制方式在电动机的启动、调速、停止、转向的过程中，通过反馈装置把电动机的运行状态反馈到控制器，并通过PID调节器的运算、调节，达到满足负载力矩要求的条件下，以最小的电流运行的目的。对比传统接触器控制方式，减少了大量接触器件的耗能，电机的启动电流得到更有效的抑制，减少启动过程的能耗，停止时经过控制器的准确计算，减少多余动能的浪费，并降低停止时对设备的冲击，调速过程中电机的电流得到严格的控制，使转化成电动机的发热能量损耗降到最低；此控制方式从电动机的各个运行状态中通过监控电机状态，并经过严格计算降低电能的耗损，提高电动机电能的利用率。
3结语
随着各方面的技术的发展，起重机的节能控制方式得到更广泛、更深入的研究和开发，将会有更先进、能耗更大的起重机控制系统得开发应用。已被广泛应用于笼式电动机的节能控制的变频器控制，随着变频器的矢量控制方式、力矩控制方式的技术成熟、技术融合，配合近年来随着高电压电机的开发，硅铝合金或铝锰合金压铸笼型转子电动的研发，现在正在研究更理想的控制方式，以达到起重机起升机构控制的特殊要求，并成为满足人们对起重机的节能控制要求另一方向。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。