起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)定子異常失電的原因分析

陳 序 李向東

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)定子異常失電的原因分析

陳 序 李向東

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 南京 210036）

本文初步對起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)定子可能出現(xiàn)異常失電的情況進(jìn)行分析和探討，為電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī) 定子異常失電 原因分析 接觸器 調(diào)速裝置

對電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)功能的要求，最早可以追溯到2007年的鐵嶺清河特鋼“4．18”鋼水包傾覆特別重大事故后，國家質(zhì)檢總局特設(shè)局發(fā)布了《關(guān)于冶金起重機(jī)械整治工作有關(guān)意見的通知》（375號(hào)文），其中首次提到了“正反向接觸器故障保護(hù)功能”。之后在緊急出臺(tái)的TSG Q0002—2008《起重機(jī)械安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-橋式起重機(jī)》吸收了“375號(hào)文”專項(xiàng)整治的成果，明確提出了“吊運(yùn)熔融金屬的起重機(jī)，起升機(jī)構(gòu)應(yīng)具有正反向接觸器故障保護(hù)功能”。同時(shí)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)在進(jìn)行修訂時(shí)，也考慮到此方面內(nèi)容，并進(jìn)一步完善。GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》7．4．6條和GB 6067．1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分：總則》8．6條對電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)提出了要求“起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)應(yīng)設(shè)置定子異常失電保護(hù)功能，當(dāng)調(diào)速裝置或正反向接觸器故障導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失控時(shí)制動(dòng)器應(yīng)立即上閘”。2016年新修訂再版的TSG Q7015—2016 和TSG Q7016—2016也提出了類似要求。然而，要在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)符合規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求的定子異常失電保護(hù)功能，其前提是全面分析起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)可能出現(xiàn)定子異常失電的各種情況及其原因。下面將對電動(dòng)機(jī)定子可能出現(xiàn)的異常失電情況進(jìn)行分析。

1 電動(dòng)機(jī)定子異常失電情況分析

電動(dòng)機(jī)正常失電是指根據(jù)操作指令控制接觸器或調(diào)速裝置，讓電動(dòng)機(jī)斷電停止運(yùn)行。而異常失電則是操作指令需要電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，而電動(dòng)機(jī)卻斷電無法運(yùn)行的情況。雖然起重機(jī)各機(jī)構(gòu)均有電動(dòng)機(jī)且導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)異常失電的情況很多，如停電等。但是由于起升機(jī)構(gòu)屬位能性負(fù)載的特殊性，以及正反向接觸器和調(diào)速裝置是直接控制起升電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。所以法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)要求的定子異常失電僅指起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)正反向接觸器和調(diào)速裝置出現(xiàn)問題所導(dǎo)致的情況。下面按照調(diào)速方式的不同，分為接觸器故障和調(diào)速裝置故障兩大類分別介紹。

1.1 接觸器故障

如圖1所示，接觸器主要由觸點(diǎn)系統(tǒng)、電磁系統(tǒng)、滅弧裝置和其它部件組成。圖2是接觸器產(chǎn)生故障的魚刺圖，其主要部件出現(xiàn)問題均能導(dǎo)致接觸器故障。

圖1 接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 接觸器常見故障原因圖

下面列舉幾種常見的情況：

●1.1.1 觸點(diǎn)熔焊

通過電器觸點(diǎn)的電流超過觸點(diǎn)本身的額定電流，或由于電器老化，觸點(diǎn)之間電阻增大致使觸點(diǎn)發(fā)熱直至熔合粘連叫觸點(diǎn)熔焊。初期較輕的觸點(diǎn)粘連不影響接觸器的正常工作，但是此時(shí)觸點(diǎn)表面已經(jīng)不平整，很容易造成進(jìn)一步的觸點(diǎn)熔焊，使接觸器觸點(diǎn)不能正常分?jǐn)唷?/p>

造成觸點(diǎn)熔焊的原因很多。接觸器的觸點(diǎn)是銀合金，好的觸點(diǎn)銀含量在80%以上。當(dāng)觸點(diǎn)表面的銀合金觸點(diǎn)由于觸點(diǎn)磨損燒蝕殆盡，銅觸點(diǎn)座就會(huì)粘連。如果接觸器的容量選擇的稍小，則很容易在持續(xù)的大電流作用下使觸點(diǎn)熔化，造成粘接。操作頻率過高或超負(fù)荷使用也會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)融合，此種情況可以通過線路的過載保護(hù)功能來避免。此外觸點(diǎn)壓力太小，會(huì)造成觸點(diǎn)接觸電阻增大，引起觸點(diǎn)嚴(yán)重發(fā)熱也會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)熔焊發(fā)生。

正反向接觸器觸點(diǎn)熔焊有可能會(huì)導(dǎo)致起重機(jī)誤動(dòng)作及設(shè)備損壞（如相間短路），不過起重機(jī)的緊急停止功能、短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能可以避免一些嚴(yán)重后果的發(fā)生，所以一般不會(huì)造成定子異常失電。

●1.1.2 觸點(diǎn)燒損

接觸器觸點(diǎn)燒損是比觸點(diǎn)熔焊更嚴(yán)重的故障，可能將整個(gè)觸點(diǎn)燒掉或有爆炸狀銀粒飛濺。

觸點(diǎn)燒損的原因和觸點(diǎn)熔焊的原因類似，可能是接觸器本身質(zhì)量問題或是選型不當(dāng)以及操作頻繁等原因。還有一種情況需要注意的是缺相，缺相可能是線路問題或是由于起動(dòng)電流過大造成某相觸點(diǎn)首先燒損而缺相，最后因?yàn)槿毕嘣斐呻娏鞲髮⑵渌|點(diǎn)燒掉，或者將電動(dòng)機(jī)燒掉。缺相可以通過缺相保護(hù)器來保護(hù)，但是目前大多數(shù)起重機(jī)只在總電源進(jìn)線端裝有錯(cuò)相和缺相保護(hù)器，其保護(hù)范圍只限于總電源端，無法覆蓋起升機(jī)構(gòu)。

觸點(diǎn)燒損能導(dǎo)致接觸器無法正常工作，甚至導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)接線柱或電動(dòng)機(jī)燒壞，而目前現(xiàn)有的起重機(jī)保護(hù)能力較低，是設(shè)計(jì)定子異常失電保護(hù)功能時(shí)需要著重考慮的。

●1.1.3 觸點(diǎn)接觸不良

接觸器因長期使用，觸點(diǎn)表面不干凈、銹蝕、變形、磨損、由于電弧燒蝕造成凹凸、氧化、毛刺、以及機(jī)械卡阻等缺陷，反映到工作中變現(xiàn)為觸點(diǎn)接觸不牢、有間隙、接觸面積下降、電阻變大、觸點(diǎn)溫度過高，更加嚴(yán)重的時(shí)候可導(dǎo)致接觸器不導(dǎo)通。

觸點(diǎn)接觸不良是長期使用的接觸器中常見的故障之一，特別是那些在惡劣環(huán)境中使用卻得不到良好維保的起重機(jī)。

●1.1.4 線圈故障

線圈故障現(xiàn)象很多，常見的有線圈引出線的連接處脫落、線圈燒毀或斷線等，較多發(fā)生的是線圈燒毀。其原因有電壓過高或過低、選型錯(cuò)誤、鐵芯油污、機(jī)械卡阻、吸合磁隙過大等，環(huán)境方面的因素如通風(fēng)不良、過分潮濕、環(huán)境溫度過高等，都會(huì)引起這種故障。

線圈是接觸器的動(dòng)力源泉，其質(zhì)量的好壞直接影響到接觸器工作的可靠性，而線圈的常見故障比較隱蔽，對接觸器危害性更大，可直接導(dǎo)致正反向接觸器失效。對于電壓過高或過低導(dǎo)致的線圈燒毀，可通過起升動(dòng)力回路中的斷路器提供的過壓/欠壓保護(hù)功能進(jìn)行預(yù)防。其它原因?qū)е陆佑|器因線圈故障而不能正常工作時(shí)，因其對應(yīng)的制動(dòng)器控制回路中輔助觸點(diǎn)也不能動(dòng)作（回到初始斷開狀態(tài)），制動(dòng)器因此會(huì)斷電抱閘。但極端情況時(shí)如果輔助觸點(diǎn)粘連、卡阻導(dǎo)致輔助觸點(diǎn)不能斷開，則制動(dòng)器可能無法正常抱閘。

1.2 調(diào)速裝置故障

起重機(jī)中常見的調(diào)速裝置包括直流調(diào)速裝置、定子調(diào)壓調(diào)速裝置和變頻器等。直流調(diào)速裝置目前使用量很少，這里只介紹變頻器和定子調(diào)壓調(diào)速裝置。

●1.2.1 變頻器

變頻器是應(yīng)用變頻技術(shù)與微電子技術(shù)，通過改變電動(dòng)機(jī)工作電源頻率方式來控制交流電動(dòng)機(jī)的電力控制設(shè)備。如圖3所示，變頻器主要由整流器 （交流變直流）、濾波、逆變器（直流變交流）、制動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)單元、檢測單元、CPU處理單元等組成。

圖3 通用變頻器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4通過故障樹形式列舉了變頻器的常見故障及原因。可見引起變頻器故障的原因很多，包括了自身軟硬件問題以及外部回路。例如常見的變頻器“溜鉤”現(xiàn)象就屬于軟件設(shè)定問題。不過通過圖3也可以發(fā)現(xiàn)，變頻器通過對多項(xiàng)參數(shù)的檢測，能夠發(fā)現(xiàn)大多數(shù)的故障，及時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)。特別是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電流檢測反饋功能，可發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子異常失電的情況。

圖4 變頻器故障解析

●1.2.2 定子調(diào)壓調(diào)速裝置

定子調(diào)壓調(diào)速裝置的結(jié)構(gòu)（圖5）與變頻器類似，因此變頻器的常見故障在定子調(diào)壓調(diào)速裝置上也有類似情況。同時(shí)定子調(diào)壓調(diào)速裝置也配備了故障自診斷能力。定子調(diào)壓調(diào)速裝置功率元件選用了晶閘管，而晶閘管的可靠性略低于變頻器使用的IGBT等新型功率晶體管，這是其經(jīng)常發(fā)生故障的原因之一。定子調(diào)壓調(diào)速裝置是直接控制制動(dòng)器的，相比于變頻器是個(gè)不小的安全隱患，在設(shè)計(jì)定子異常失電保護(hù)功能時(shí)需特別考慮裝置因爆炸等極端情況下能否保證制動(dòng)器正常動(dòng)作。另外，早期的定子調(diào)壓調(diào)速裝置中晶閘管單元只能實(shí)現(xiàn)調(diào)速（只有三組模塊，換向需五組模塊），仍然保留了正反向接觸器用于電動(dòng)機(jī)換向，而且定子調(diào)壓調(diào)速裝置需要通過分級切換轉(zhuǎn)子的串接電阻來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大調(diào)速范圍。因此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)定子異常失電保護(hù)功能時(shí)還需要考慮接觸器故障的因素。

圖5 定子調(diào)壓調(diào)速裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 典型案例

1）2007年鐵嶺清河特鋼“4．18”鋼水包傾覆特別重大事故，導(dǎo)致32人死亡，6人重傷，直接經(jīng)濟(jì)損失866．2萬元。如圖6所示，事故的直接原因就是下降3檔過渡4檔時(shí)，下降接觸器FC控制回路中的一個(gè)互鎖常閉輔助觸點(diǎn)ZC銹蝕斷開，下降接觸器FC不能被接通，致使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)失電；由于電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷（制動(dòng)器接觸器ZDC自鎖），制動(dòng)器未能自動(dòng)抱閘，導(dǎo)致鋼水包失控下墜。

圖6 起升機(jī)構(gòu)正反向接觸器電路原理圖

2）一臺(tái)橋式起重機(jī)的定子調(diào)壓裝置多次快速燒熔，而且晶閘管單元輸出經(jīng)常為兩相，偶爾為一相。故障主要原因是由于觸發(fā)脈沖錯(cuò)誤或誤觸發(fā)，造成調(diào)壓裝置中一相晶閘管還沒來得及關(guān)斷，而另一相已導(dǎo)通，導(dǎo)致參與換相的兩相短路。

3）2007年8月，某鋼廠一臺(tái)從事重軌裝坑作業(yè)的起重機(jī)主起升機(jī)構(gòu)突然出現(xiàn)不升不降的情況。經(jīng)檢查故障的原因是起重機(jī)工作環(huán)境惡劣，環(huán)境溫度達(dá)70℃，而電氣室無有效降溫措施，導(dǎo)致溫度超過定子調(diào)壓調(diào)速裝置設(shè)計(jì)工作溫度，造成絕緣能力下降，晶閘管內(nèi)阻過低趨于擊穿，晶閘管不能可靠的導(dǎo)通或關(guān)斷。此外輸出控制板損壞也是原因之一。

3 結(jié)束語

起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)是位能性負(fù)載，一旦電動(dòng)機(jī)失電而制動(dòng)器沒抱閘的情況發(fā)生時(shí)吊重就會(huì)在重力的作用下墜落導(dǎo)致事故，正反向接觸器和調(diào)速裝置做為控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的直接器件，失效往往會(huì)直接導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)定子失電，從本文的分析可以看出正反向接觸器和調(diào)速裝置均有失效的風(fēng)險(xiǎn)，特別是正反向接觸器的失效風(fēng)險(xiǎn)較大，所帶來的后果也是極為嚴(yán)重的。因此在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)置定子異常失電保護(hù)功能，尤其是吊運(yùn)熔融金屬等易發(fā)生重大危險(xiǎn)的起重機(jī)是十分必要的；而進(jìn)行起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)定子異常失電的原因分析，則是保證設(shè)計(jì)質(zhì)量和保護(hù)功能有效的前提條件。

[1] 袁征．起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)制動(dòng)器電氣控制的理解[J]．起重運(yùn)輸機(jī)械，2012，（11）：85-87.

[2] 馬英力．交流接觸器常見故障原因分析及處理[J]．價(jià)值工程，2011，30(20)：22.

[3] 陳曦．冶金起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)失電保護(hù)初探[J]．機(jī)電技術(shù)，2010（3）：110-111.

[4] 王福棉．起重機(jī)械事故預(yù)防與故障分析[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2008．

[5] 李云飛．變頻器故障診斷系統(tǒng)[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2004(7)：181-184.

[6] 王華勝．橋式起重機(jī)定子調(diào)壓常見電氣故障分析[J]．工業(yè)技術(shù)，2011，（35）：74-75.

[7] 陳源．起重機(jī)械起升機(jī)構(gòu)正反向接觸器故障保護(hù)分析[J]．裝備制造技術(shù)，2010，（8）：141-143.

Reason Analysis of Abnormal Power Failure of Hoisting Mechanism Motor Stator

Chen Xu Li Xiangdong
（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nanjing 210036）

In this paper, a preliminary analysis and discussion on the abnormal power failure of the motor stator in the hoisting mechanism is carried out, which lays the foundation for the design of the motor stator abnormal power failure protection function.

Hoisting mechanism motor Motor stator abnormal power failure Cause analysis Contactor Speed adjusting device

X941

B

1673-257X（2017）03-0075-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．015

陳序(1984～)，男，本科，工程師，從事起重機(jī)械檢驗(yàn)檢測工作。

2016-08-10）