剛性聯接的雙電機驅動設備電流調整

徐立成

作者通聯：上海船廠船舶有限公司生產保障部 上海市崇明縣江海公路1號 202164

E-mail：xulichengsh@163.com

大型設備多采用兩臺電機同時驅動，機械結構多數為剛性聯接，即兩臺電機同軸驅動1個變速機構。這種機械傳動結構的特點是兩臺電機的轉速完全相同，但普遍存在兩臺電機的出力和電流不相同的現象，有時相差很大，調整也有一定難度。下面以上海船廠船舶有限公司設備為例，分析不同類型電機的雙機驅動中電流差異大的原因，介紹調整原理和方法。

一、直流電機剛性聯接的雙機驅動

直流電機過載能力較強，調速方便，線路相對簡單，以往大型設備廣泛采用兩臺直流電機剛性聯接驅動。公司100t、80t 門座式起重機的主鉤機械傳動采用這種類型。100t 門機主鉤電機型號為ZZ-62，電壓DC 220V，電流234A，功率46kW，額定轉速580r/min，勵磁電流6A。2005年門機由浦東搬至崇明，經過安裝大修，試車時發現兩臺主鉤電機（設定左機為MA、右機為MB）并舉時的電樞電流相差很大。雙機并舉吊重起升時，MA的各擋電樞電流遠大于MB的電樞電流，下降時正好相反。當時測量第三擋起升電流（聯動臺上設有電樞電流表），左機IA為300A，右機IB為60A，顯然左機已嚴重超載，右機卻輕載。

根據設備電氣原理圖可知，雙機電樞共用一臺直流電源，主鉤調速為調壓調速，通過主令開關操縱各擋變壓器電源（每擋變壓器電源輸出AC 66V），使整流合成后的直流電壓分為高低五擋。左右兩臺直流電機的勵磁供電DC 220V 各自獨立。設備在制造配置直流電機時不僅保證電機型號相同，而且為同一廠家的同一批次產品，盡量使兩臺電機在參數性能上對稱。

直流電機的主磁極材料、導磁率μ和氣隙δ 對磁通Φ 影響很大。電機長期使用，經過大修解體裝卸、振動、溫度等因素影響了μ和δ，導致磁阻發生變化。這樣相同的勵磁電流會產生不同的Φ，因此兩臺電機的電樞電流產生很大差異。從直流電機的基本原理進行分析，直流電機轉速特性方程n=U/（CeΦ）-IR/（CeΦ）。當兩臺電機的磁通￠不等時，它們的理想空載轉速nA0、nB0和轉速特性曲線也不一致（圖1），ΦB＞ΦA，因此nB0＜nA0，MA的斜率大于MB的斜率，即R/（CeΦA）＞R/（CeΦB）。

圖1 磁通不等時兩臺電機轉速特性

由于兩臺電機剛性聯接，因此轉速n1相同，兩臺電機分別運行在A 點和B 點，IA1＞IB1。在外加電壓相同的條件下，吊重上升時MA 出力大于MB 出力，電樞電流相差很大。在吊重下降時兩臺電機處于發電制動狀態，主回路見圖2，其中U為有級可調整流電源，共分為五擋，MA、MB為直流電機，4rd為鉤子下降制動電阻，4JA11為下降制動接觸器。當鉤子上升時4JA11 吸合，斷開制動電阻，鉤子按上升擋位正常速度上升；空鉤下降時，腳踏開關控制4JA11 吸合，這時沒有制動，空鉤快速下降；當鉤子吊重下降時，4JA11 失電，4rd和電機電樞并聯，兩臺電機處于發電制動狀態，鉤子重物勻速下降，下降速度受到限制。圖2 右側是鉤子重物制動下降時的簡化電路，重物勢能通過MA、MB 發電并和4rd 構成閉合回路。電源U 是二極管整流裝置，具有單向導電性能，此時沒有電流通過，兩臺電機的反電勢分別為EA=CeΦAn，EB=CeΦBn，ΦB＞ΦA，因此EB＞EA，IA2＜IB2。這就造成重物下降時兩臺電機的電流關系正好和吊重上升時相反。

圖2 電機發電制動主回路

根據以上分析，只要改變電機的磁通Φ，便可改變電機的空載轉速和斜率，從而使兩臺電機轉速特性接近，使它們的出力和電樞電流接近。為避免主磁極磁通趨于飽和，具體采用減小勵磁電流的辦法，改變磁通量Φ。該例中，減小MB的勵磁電流IfB，即逐步增大串接于MB 勵磁回路中的電阻RfB，使MB的理想空載轉速nB0升高，向MA的理想空載轉速nA0靠近，這樣減小了兩條曲線的差異。經過多次調整，兩臺電機出力基本平衡，電樞電流相互接近，一般電流的差異控制在10%以內。

二、交流異步電機剛性聯接的雙機驅動

1.三相繞線轉子異步電機的剛性聯接

老式起重設備都使用三相繞線轉子異步電機，其轉子回路中串接電阻實現啟動和調速。船臺兩側的120t 門機主鉤采用兩臺繞線轉子異步電機同軸驅動，要求兩臺電機型號相同，但不一定是同廠家、同批次產品。電機型號為YZR315-8、75kW，額定轉速725r/min，額定轉差率SN=0.0333。120t 門機主鉤電機轉子電阻電路見圖3，電阻器型號RS54-315M-8/12J，三相對稱電阻，每相5 段，電阻器具有抽頭，供調整時使用。繞線轉子異步電機的機械特性由其轉子回路電阻值決定。同一型號電機的轉子電阻值不可能完全相同，因此機械特性不可能完全一樣。這樣在雙機并舉吊重中，它們出力不可能相等。圖4為兩臺繞線轉子電機A和B的機械特性曲線，它們的轉子回路電阻值分別為rA和rB，rB＞rA，電機A的機械特性較硬，曲線斜率較小。兩電機并舉吊重上升時，轉速為n1，電機A和B 分別工作在a、b 點，對應轉矩為T1、T2，且T1＞T2。電機的轉矩與其電樞電流成正比，因此雙機吊重上升時，電機A的電流大于電機B的電流。當雙機吊重下降時，在重物作用下電機處于發電制動運行狀態，機械特性曲線延伸至第四象限，此時轉速為n2，電機的轉矩和轉速反向，電磁轉矩分別為T3、T4，且T3＜T4，即電機A的電流小于電機B的電流。從圖4 可知轉子回路電阻值小的電機機械特性較硬，在雙機吊重上升時它的電流較大，在重物下降發電制動時它的電流較小。

鉤子雙機并舉時，當剛性聯接的三相繞線轉子異步電機電流明顯不同時，為使兩臺電機電流接近，可人為調整它們的機械特性：①增加機械特性較硬的電機轉子回路電阻值（該例中R11、R21和R31），降低其特性硬度，減小其電流；②或減小機械特性較軟的電機轉子回路電阻值，提高其特性硬度，增大其電流。

2.三相變頻電機剛性聯接

公司近年來新置設備中都應用變頻調速，其中大型設備也采用雙機剛性聯接。7 萬t 船臺兩側自制的150t 門機（2號車）的主鉤采用兩臺變頻電機同軸驅動。變頻電機型號為YZP315M2-8，110kW，50Hz，380V，220A；變頻器為安川CIMR-G7B型電流矢量控制通用變頻器，功率160kW，電流302A。2004年6月，該門機試運行，發現雙機并舉吊重時，主鉤兩臺變頻電機電流不平衡。當時雙機并舉變頻器設置為速度/力矩控制，即電機A為主機，其變頻器A為速度控制；電機B為從機，其變頻器B為力矩控制。變頻器A 輸出力矩信號，經通信電纜施加于變頻器B，這樣主機控制從機的輸出力矩。由于通信需要約30～50ms 時間，因此從機永遠落后于主機。為此，將雙機并舉時的控制方式改為雙機速度控制，即兩臺變頻器同時接受PLC 速度控制，沒有主從之分，表1 是兩臺電機在吊重升降時的電流值（雙機并舉）。分析表1 數據得出：①兩臺電機并舉吊重升降時各擋電流差的絕對值大于30%。②吊重上升時電機A 電流大，下降時電機A 電流小。

圖3 120t 門機主鉤電機轉子電阻電路

圖4 繞線轉子電機機械特性曲線

表1 DROOP 關閉時雙機并舉電流值

A、B 兩臺電機的電流相差30%以上，降低了出力大電機的超載能力，嚴重影響該門機正常工作。b7-01 是DROOP Quantity（下垂量）控制功能，可任意設定電機滑差量S。在變頻器輸出最高頻率（100Hz）時，額定轉矩下，速度指令值和實際轉速值差值（滑差量）的百分數為b7-01 設置值。出廠設定b7-01為0.0%，這時DROOP 控制功能不工作，處于關閉狀態，電機按照其固有特性曲線運行，其滑差率為固有滑差率。b7-01的設置值范圍是0.0%～100%，對應的理論轉速值見表2，當指令頻率不變時，電機實際轉速隨著b7-01 增大而減小，電機機械特性變軟。b7-01 設置值越大，兩臺電機的特性曲線越靠近，出力更接近，即設置b7-01 非零值后（打開DROOP 功能）可縮小兩臺電機出力差值。為防止電機機械特性太軟而吊不起額定噸位工件，b7-01 參數設置不能太大。兼顧出力平衡和機械特性硬度，最終選擇b7-01為3%，吊重時測試電機電流值（表3），兩臺電機電流差值明顯減小。

表2 實際轉速和b7-01 設置值關系

表3 DROOP 開啟時雙機并舉電流值

變頻電機雙機并舉吊重上升和下降時的電流差異情況和三相繞線轉子異步電機相似，吊重上升時機械特性較硬的電機電流較大；重物下降時電機處于發電制動狀態，機械特性較軟的電機電流較大。

三、結束語

電機在剛性聯接條件下，由于固有機械特性不同，雙機驅動普遍存在出力不均等問題。修改一些參數，人為改變機械特性可縮小這種差異，實際上這是損失了部分機械特性硬度，使它的機械特性變軟。因此調試中既要考慮兩臺電機出力平衡，也要顧及其機械特性硬度，沒有必要追求兩臺電機的電流值完全相等，一般將兩臺電機的電流之差控制在10%以內即可滿足運行要求。