繞線式異步電機在起重機上的應用原理及控制方式

江 利

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

由于繞線式異步電動機在橋式起重機上應用非常廣泛，若對其原理和工作特性掌握不夠，會給日常維修帶來困難。轉子是電動機的重要組成部分，外接電阻是電動機用來減少啟動電流和利用接觸器切除或增加電阻調速部分。它具有調速控制簡單、維修和操作方便、安全運行制動可靠、效率較高，以及制造容易、成本低廉等優(yōu)點。

1 工作原理

同步電動機的同步轉速公式和轉差率公式[1]

可得出異步電動機的轉速公式

式中n——轉速，單位為r／min；

f——定子供電頻率，單位為Hz；

p——極對數(shù)；

S——轉差率；

由上式可見，起重機異步電動機的調速，可采用接觸器切除電阻或定子調壓改變轉差率S、（變頻器）改變電源頻率f和磁場磁極對數(shù)P這三種方法。

在起重機上改變轉差率調速的方法只能用于繞線式轉子異步電動機（現(xiàn)今起重機上使用YZR系列）。通常利用轉子回路外接串聯(lián)啟動電阻，采取改變轉子回路中的電阻值，來改變轉差率可以減少啟動電流并調速。目前也只有繞線式異步電動機轉子帶繞組，才可以通過電機尾端的滑環(huán)和碳刷在機外連接啟動、調速電阻，改變轉差率，進行調速。這種調速方法功率損耗大、效率低，很少用來調整機床電動機的轉速。

圖1 繞線式異步電動機轉子

繞線式異步電動機轉子如圖1所示，繞線式異步電機是在轉子回路串進附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串進的電阻越大，電動機的轉速越低。此方法設備簡單，控制方便，轉差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級調速，機械特性較軟。電動機外接串聯(lián)電阻接到電源上，因電阻上有電動勢電壓降，加到電動機上的電壓減去電阻上電動勢的壓降，電動機啟動時啟動電流減小。繞線式異步電動機轉子串聯(lián)外接電阻方式啟動，就是在轉子繞組外接串聯(lián)一級或若干級外接電阻，用來控制減小啟動電流的目的。啟動后再逐級利用接觸器（或凸輪控制器）切除電阻，使電動機正常運轉，改善起重機機械特性，并且提高了啟動轉矩。

繞線式異步電機可以在起重機上使用，就是因為它可以提供比普通電機（轉子無繞組）大的多的起動轉矩，適應起重機帶負載的啟動力矩大的要求。通過調節(jié)轉子回路中增加的外電阻可以獲得起動電流小而起動力矩大的優(yōu)點。為此轉子轉動需要增加碳刷與轉子滑環(huán)相連接。

2 電機銘牌及主要參數(shù)

起重機繞線式異步電動機銘牌上主要標記以下數(shù)據(jù)（用以下6個數(shù)據(jù)為例），并解釋其意義如下[1]：

（1）型號：例如 YZR335M-10中“Y”表示 Y系列異步電動機（YZR表示繞線式異步電動機），“335M”表示電機的中心高為335mm，“M”表示中機座（L表示長機座，S表示短機座），“10”表示10極電機。

（2）額定功率：電動機在額定電壓正常狀態(tài)下運行時，軸上所輸出的機械功率稱為額定功率。

（3）額定速度：在額定狀態(tài)下運行時的轉速稱為額定轉速。

（4）額定電壓：讓電動機在額定正常轉速運行狀態(tài)下，線電壓值加在電動機定子繞組上所應加的額定值。

（5）額定電流：額定電壓通過加在電動機定子上，在其軸上輸出額定功率時，定子從電源所得線電流值稱為額定電流。

（6）工作制：運行方式在起重機的電動機上也極為重要。一般分為水泵、風機為（S1）“連續(xù)”、“短時”（代號為 S2）、起重機一般（代號 S3）“斷續(xù)”,電動機工作制式S3代表斷續(xù)周期工作制，指電機在銘牌規(guī)定的額定條件下只能斷續(xù)運行。

電機的銘牌就相當于電機的說明書，上面標注著電機的各種信息，比如功率，電壓，電流，接法等。而對于電工或機修來說，這些都是必不可少的，一臺沒有銘牌的電機就如一只斷了線的風箏，可知銘牌對電工和機修的重要性。

3 繞線式異步電動機在起重機上的調速控制方式

3.1 轉子串電阻

繞線式異步電動機如圖2所示，電機轉子串入附加電阻，可以得到較好的啟動特性，也可以調速，這就是轉子串電阻調速。它廣泛應用于起重機上[2]。

圖2 繞線式異步電動機串電阻原理

起動時，將起動電阻一次切除，勢必引起較大的電流，起動電阻切除過晚，又影響起動的加速度，所以采用分級調速，電阻全加進速度最慢，切一級快一步，全部切除完畢速度達到額定速度。

3.1.1 線路特點

以32/5主鉤為例，其線路特點：（1）可逆不對稱電路；（2）主令控制器檔數(shù)為3-0-3,十二個回路；（3）串接啟動電阻級數(shù)為4級。第一第二級為手動切除，三四級為自動切除其延時整定值為0.6s和0.3s。下降工作原理（上升線路簡單些，以下降為例）：（1）下降一檔為反接制動?？蓪崿F(xiàn)重載（半載以上）慢速下降，當主令控制器的手柄從零位到下降一檔線路不動作，只有從下降第二或第三檔打回第一檔時，才能動作，以保證避免和輕載反而提升現(xiàn)象。（2）下降第二檔為單向制動?？蓪崿F(xiàn)輕載（半載以下）慢速下降。當手柄推向下降第二位時，轉子短去反接制動電阻，制動器打開，電機處于單相制動狀態(tài)，放下重物。單相制動優(yōu)點：1）克服反接制動出現(xiàn)輕載貨物下降時電機反而上升的缺點；2）克服再生發(fā)電制動沒有低速段的缺點；3）選擇適當?shù)霓D子附加電阻，單相制動機械特性硬度比反接制動大，負荷沖擊引起的速度波動比反接制動??；4）其接線方式和控制設備較簡單；5）操作方便，特別適用于在同步轉速下下放貨物。（3）下降第三檔為額定轉速下放貨物。（注：只例舉了一部分主鉤電氣工作狀態(tài)為例）。3.1.2 調速原理

轉子串入電阻后，在轉矩一定時，轉差率與轉子電阻成正比，轉子串入電阻越大，電機轉速越低。改變轉子串入電阻的電阻值，即可調節(jié)轉速。

（1）機械特性變軟，轉速穩(wěn)定性變差，通常調速范圍不大于2。

（2）只能夠從基速向下調速。

（3）空載時幾乎不能調速。

（4）調速電阻分段不宜過細，調速平滑性較差。

（5）增大了轉差率，從而增大了銅耗（Pcu=sp），轉速越低銅耗越大。

（6）提高起動轉矩的方式，主要采取適當增加轉子電阻的方法，轉子電阻有限度的增大，起動轉矩也會隨之增大；當起動轉矩增大到一定程度，電阻串接的太多，反而會隨著轉子串接電阻值的增大而減小了，所以，需特別注意測量準確拐點數(shù)值。

（7）由于設備簡單，投資少，調速電阻做起動電阻，故在起重機上廣泛應用。

3.2 定子調壓調速

3.2.1 調壓調速原理

繞線異步電動機定子調壓調速電路也是變轉差率調速的一種，為了提高調壓調速系統(tǒng)機械特性的硬度及電動機轉速的穩(wěn)定性，常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由電力繞線式電機拖動原理可知，當繞線式異步電動機等效電路及其參數(shù)不變時，在相同的轉速下，轉差率一定時，電磁轉矩和定子電壓的平方成正比，所以，改變定子輸入電壓就可以改變機械特性，從而改變繞線式電機在一定負載轉矩下的轉速。上世紀80年代以前，改變交流電壓的方式，多采用自耦變壓器或電抗器以及定子串接電阻啟動再切除等方式，自從上世紀末電力電子技術應用以后，傻大笨粗電磁裝置就被窈窕淑女式的晶閘管（可控硅）交流調壓裝置所取代。

定子調壓調速行車原理如圖3所示，完整的講是叫做晶閘管定子調壓調速起重機，調速系統(tǒng)由調壓調速控制柜和外圍電氣：斷路器、主令控制器、換向繼電器、過熱繼電器、切除電阻接觸器、轉子外接電阻器等組成。其中調壓調速控制柜又分為控制部分和晶閘管模塊單元兩部分。主功率晶閘管模塊串接在繞線電動機機定子主回路，其轉子回路串接有比例限度的電阻器，用控制線路調節(jié)三相反并聯(lián)晶閘管導通角的大小，并且控制晶閘管（可控硅）的開放程度，有級或無極檔位控制增大或減少定子電壓，因為電機電磁轉矩與定子電壓平方成正比例，從而達到控制繞線式異步電動機轉速的目的。電動機旋轉速度由人工通過控制器（遙控器或主令控制器）設定，再由直流測速發(fā)電機實現(xiàn)速度反饋的閉環(huán)控制，電機運轉方向可以通過切換換向控制器，改變晶閘管導通順序來實現(xiàn)。主令控制器，檔位分為四檔，其中檔位1、2、3檔是閉環(huán)控制的調速檔，檔位4檔是開環(huán)控制，叫作高速檔或者全速檔。

圖3 定子調壓調速行車原理圖

調壓調速又稱降壓調速。因為電動機工作電壓不允許超過額定值，降低定子繞組的端電壓進行調速的方式稱為調壓調速。因其不改變同步轉速也屬于改變轉差率的調速方法。

現(xiàn)起重機調壓調速控制有4個速度，10%、25%、50%、100%，下降時有超同步下降。

實現(xiàn)正反轉交流調壓器如圖4所示，一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個雙向晶閘管分別串接在三相電路中，主電路接法主要采取有正向和反向雙向晶閘管方案，用相位控制改變輸出電壓。起重機上的電機在正反轉運行時，除正轉工作的晶閘管1-6外，尚須供給逆相序電源的晶閘管7-10，它們和1、4一起，在反轉工作時，電路還可以實現(xiàn)電機的反轉制動和能耗制動。反轉制動時，工作的晶閘管也就是上面所說的反轉工作的六個器件。當需要電動機進行能耗制動時，可以根據(jù)制動電路的形式，有選擇性的使某幾個晶閘管不對稱地工作，例如讓1、2、6三個晶閘管導通，其它晶閘管都關斷，就可使電機定子繞組中產生并流過直流電流，旋轉著的電動機就會對轉子產生制動作用。達到先電氣制動后機械制動合理的配合，減少對制動器的磨損，避免對起重機的沖擊。

圖4 可以正反轉交流調壓器

3.2.2 定子調壓調速控制方式的優(yōu)點

（1）平穩(wěn)地加速與減速，合理的斜坡時間，減少對電動機及機械構件，齒輪及聯(lián)軸器的沖擊。

（2）起重機電器制動和液壓機械制動進行合理配合，減少了對制動器閘輪及閘瓦的磨損，先電器制動后機械制動。定子調壓調速以優(yōu)異的性能、良好的環(huán)境適應能力受到歡迎。

（3）具有扭矩保護、相序保護、欠壓保護，更好的解決了外部故障帶來的危險。

4 故障的排除

4.1 溫差

起重機應用繞線電機，溫度異常升高應注意以下事項[3]。

各地環(huán)境溫度的不同，繞線式電機相應的設計了標準溫度，過去設計的電動機一般采用35℃，而從上世紀70年代后設計的Y系列繞線電動機則用40℃。

起重機正常的工作環(huán)境對于正常運行的電動機，在額定負荷最高轉速下電動機的溫升應與環(huán)境溫度的高低關系不大，如果當環(huán)境溫度低于40℃時，其額定運行溫升也不允許超出銘牌規(guī)定值。當環(huán)境溫度比一臺正在額定運行的A級絕緣電動機額定值降到10℃時，溫升允許并不認為可以擴大到80℃。有的維修工把繞組溫度不超過額定所允許的90℃就認為正常，這不一定對，如果未超過額定負荷，但是溫度已經達到限定80℃，電動機本身說明有可能出現(xiàn)電壓不平衡、悶車或軸承等故障。

有時在額定載荷下正常運行的繞線電動機，氣溫和電機溫升等相關因素也并不一定沒有關系。

（1）正常電動機運行的溫升在氣溫下降時會相應的減少一些。繞組電阻值下降，因為銅耗發(fā)生減少。溫度如果每降1℃，電阻值會下降0.4%。

（2）電動機風扇降溫（或自冷）在環(huán)境溫度每增加10℃，則溫升增2℃左右。主要因素是繞組銅損會隨著溫度上升會有所增加。在封閉室內空間狹小等空氣流通不好的場所，氣溫變化影響對繞線式電機還是比較大的。

（3）在南方空氣濕度升高，會使電機導熱加強，溫升可降0.3℃左右。

（4）海拔以1000m為標準，每升100m，溫升增加其極限值的1%。

4.2 電動機本身故障

當發(fā)生以下任何一種情況時，說明電動機本身有故障：

（1）最高限定溫度已達到上限，并且電機是正常運行。

（2）電機運行過程中環(huán)境溫度沒超過規(guī)定，負載很小但是電機溫升過高增大。

這兩樣電機溫升故障的判斷和排故可以用檢查環(huán)境溫升、電氣和機械的方式：在額定負荷下電機正常運行溫升未超過其限度，但是環(huán)境溫度超過40℃而使電動機溫度超過最大允許工作溫度。這種現(xiàn)象說明電動機本身是正常的，可以采取用人工方法加開風扇給電機強迫降溫，再讓環(huán)境溫度下降。若無法運行，必須減負荷運行。環(huán)境溫度適宜而電機溫度過高檢查電機有無雜音，電氣有無故障。

4.3 轉子開路

轉子繞組線路有斷開點，電機聲音大，轉矩不夠。

4.4 轉子短路

轉子繞組回路有短路的地方，會出現(xiàn)一檔就是全速，易把軸扭斷、全速易帶來操作危險。

4.5 轉矩故障

這類故障，有可能是電動機尾端采用閉環(huán)控制的測速發(fā)電機軸斷。如果排除了電氣問題，那么將會是發(fā)生堵轉（又叫悶車）。

5 結束語

繞線式電機在起重機的安全使用十分重要，做好維護保養(yǎng)工作，選型時注意銘牌上的數(shù)據(jù)?；h(huán)碳刷易出故障，做到勤檢查，禁止帶病作業(yè)，合理利用切除電阻調速和定子調壓調速。維修和設計人員需注意，大小車和主副鉤的控制方式、電阻切除方式不同。調壓調速控制系統(tǒng)較為復雜，因此出現(xiàn)故障要用替代法快速解決?？梢詫⒔佑|器切除電阻調速方式改成定子調壓調速方式，更加安全可靠。