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(jī)在橋式起重機(jī)上應(yīng)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(zhuǎn)子是電動機(jī)的重要組成部分，外接電阻是電動機(jī)用來減少啟動電流和利用接觸器切除或增加電阻調(diào)速部分。它具有調(diào)速控制簡單、維修和操作方便、安全運(yùn)行制動可靠、效率較高，以及制造容易、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

同步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速公式和轉(zhuǎn)差率公式[1]

可得出異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速公式

式中n——轉(zhuǎn)速，單位為r／min；

f——定子供電頻率，單位為Hz；

p——極對數(shù)；

S——轉(zhuǎn)差率；

由上式可見，起重機(jī)異步電動機(jī)的調(diào)速，可采用接觸器切除電阻或定子調(diào)壓改變轉(zhuǎn)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(jī)上改變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的方法只能用于繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)（現(xiàn)今起重機(jī)上使用YZR系列）。通常利用轉(zhuǎn)子回路外接串聯(lián)啟動電阻，采取改變轉(zhuǎn)子回路中的電阻值，來改變轉(zhuǎn)差率可以減少啟動電流并調(diào)速。目前也只有繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子帶繞組，才可以通過電機(jī)尾端的滑環(huán)和碳刷在機(jī)外連接啟動、調(diào)速電阻，改變轉(zhuǎn)差率，進(jìn)行調(diào)速。這種調(diào)速方法功率損耗大、效率低，很少用來調(diào)整機(jī)床電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖1 繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子

繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子如圖1所示，繞線式異步電機(jī)是在轉(zhuǎn)子回路串進(jìn)附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串進(jìn)的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低。此方法設(shè)備簡單，控制方便，轉(zhuǎn)差功率以發(fā)熱的形式消耗在電阻上，屬有級調(diào)速，機(jī)械特性較軟。電動機(jī)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(jī)上的電壓減去電阻上電動勢的壓降，電動機(jī)啟動時(shí)啟動電流減小。繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串聯(lián)外接電阻方式啟動，就是在轉(zhuǎn)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(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，改善起重機(jī)機(jī)械特性，并且提高了啟動轉(zhuǎn)矩。

繞線式異步電機(jī)可以在起重機(jī)上使用，就是因?yàn)樗梢蕴峁┍绕胀姍C(jī)（轉(zhuǎn)子無繞組）大的多的起動轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)起重機(jī)帶負(fù)載的啟動力矩大的要求。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(diǎn)。為此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動需要增加碳刷與轉(zhuǎn)子滑環(huán)相連接。

2 電機(jī)銘牌及主要參數(shù)

起重機(jī)繞線式異步電動機(jī)銘牌上主要標(biāo)記以下數(shù)據(jù)（用以下6個(gè)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(jī)（YZR表示繞線式異步電動機(jī)），“335M”表示電機(jī)的中心高為335mm，“M”表示中機(jī)座（L表示長機(jī)座，S表示短機(jī)座），“10”表示10極電機(jī)。

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

（3）額定速度：在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為額定轉(zhuǎn)速。

（4）額定電壓：讓電動機(jī)在額定正常轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)下，線電壓值加在電動機(jī)定子繞組上所應(yīng)加的額定值。

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

（6）工作制：運(yùn)行方式在起重機(jī)的電動機(jī)上也極為重要。一般分為水泵、風(fēng)機(jī)為（S1）“連續(xù)”、“短時(shí)”（代號為 S2）、起重機(jī)一般（代號 S3）“斷續(xù)”,電動機(jī)工作制式S3代表斷續(xù)周期工作制，指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定條件下只能斷續(xù)運(yùn)行。

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

3 繞線式異步電動機(jī)在起重機(jī)上的調(diào)速控制方式

3.1 轉(zhuǎn)子串電阻

繞線式異步電動機(jī)如圖2所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子串入附加電阻，可以得到較好的啟動特性，也可以調(diào)速，這就是轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。它廣泛應(yīng)用于起重機(jī)上[2]。

圖2 繞線式異步電動機(jī)串電阻原理

起動時(shí)，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(diào)速，電阻全加進(jìn)速度最慢，切一級快一步，全部切除完畢速度達(dá)到額定速度。

3.1.1 線路特點(diǎn)

以32/5主鉤為例，其線路特點(diǎn)：（1）可逆不對稱電路；（2）主令控制器檔數(shù)為3-0-3,十二個(gè)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(shí)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?shí)現(xiàn)重載（半載以上）慢速下降，當(dāng)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(shí)，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?shí)現(xiàn)輕載（半載以下）慢速下降。當(dāng)手柄推向下降第二位時(shí)，轉(zhuǎn)子短去反接制動電阻，制動器打開，電機(jī)處于單相制動狀態(tài)，放下重物。單相制動優(yōu)點(diǎn)：1）克服反接制動出現(xiàn)輕載貨物下降時(shí)電機(jī)反而上升的缺點(diǎn)；2）克服再生發(fā)電制動沒有低速段的缺點(diǎn)；3）選擇適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)子附加電阻，單相制動機(jī)械特性硬度比反接制動大，負(fù)荷沖擊引起的速度波動比反接制動?。?）其接線方式和控制設(shè)備較簡單；5）操作方便，特別適用于在同步轉(zhuǎn)速下下放貨物。（3）下降第三檔為額定轉(zhuǎn)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(diào)速原理

轉(zhuǎn)子串入電阻后，在轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)差率與轉(zhuǎn)子電阻成正比，轉(zhuǎn)子串入電阻越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越低。改變轉(zhuǎn)子串入電阻的電阻值，即可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

（1）機(jī)械特性變軟，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性變差，通常調(diào)速范圍不大于2。

（2）只能夠從基速向下調(diào)速。

（3）空載時(shí)幾乎不能調(diào)速。

（4）調(diào)速電阻分段不宜過細(xì)，調(diào)速平滑性較差。

（5）增大了轉(zhuǎn)差率，從而增大了銅耗（Pcu=sp），轉(zhuǎn)速越低銅耗越大。

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

（7）由于設(shè)備簡單，投資少，調(diào)速電阻做起動電阻，故在起重機(jī)上廣泛應(yīng)用。

3.2 定子調(diào)壓調(diào)速

3.2.1 調(diào)壓調(diào)速原理

繞線異步電動機(jī)定子調(diào)壓調(diào)速電路也是變轉(zhuǎn)差率調(diào)速的一種，為了提高調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性的硬度及電動機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)拖動原理可知，當(dāng)繞線式異步電動機(jī)等效電路及其參數(shù)不變時(shí)，在相同的轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)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(jī)械特性，從而改變繞線式電機(jī)在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。上世紀(jì)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(jì)末電力電子技術(shù)應(yīng)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(diào)壓裝置所取代。

定子調(diào)壓調(diào)速行車原理如圖3所示，完整的講是叫做晶閘管定子調(diào)壓調(diào)速起重機(jī)，調(diào)速系統(tǒng)由調(diào)壓調(diào)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(zhuǎn)子外接電阻器等組成。其中調(diào)壓調(diào)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(jī)機(jī)定子主回路，其轉(zhuǎn)子回路串接有比例限度的電阻器，用控制線路調(diào)節(jié)三相反并聯(lián)晶閘管導(dǎo)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?yàn)殡姍C(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓平方成正比例，從而達(dá)到控制繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。電動機(jī)旋轉(zhuǎn)速度由人工通過控制器（遙控器或主令控制器）設(shè)定，再由直流測速發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度反饋的閉環(huán)控制，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向可以通過切換換向控制器，改變晶閘管導(dǎo)通順序來實(shí)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(diào)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(diào)壓調(diào)速行車原理圖

調(diào)壓調(diào)速又稱降壓調(diào)速。因?yàn)殡妱訖C(jī)工作電壓不允許超過額定值，降低定子繞組的端電壓進(jìn)行調(diào)速的方式稱為調(diào)壓調(diào)速。因其不改變同步轉(zhuǎn)速也屬于改變轉(zhuǎn)差率的調(diào)速方法。

現(xiàn)起重機(jī)調(diào)壓調(diào)速控制有4個(gè)速度，10%、25%、50%、100%，下降時(shí)有超同步下降。

實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)交流調(diào)壓器如圖4所示，一般用三對晶閘管反并聯(lián)或三個(gè)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(jī)上的電機(jī)在正反轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)，除正轉(zhuǎn)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(zhuǎn)工作時(shí)，電路還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)制動和能耗制動。反轉(zhuǎn)制動時(shí)，工作的晶閘管也就是上面所說的反轉(zhuǎn)工作的六個(gè)器件。當(dāng)需要電動機(jī)進(jìn)行能耗制動時(shí)，可以根據(jù)制動電路的形式，有選擇性的使某幾個(gè)晶閘管不對稱地工作，例如讓1、2、6三個(gè)晶閘管導(dǎo)通，其它晶閘管都關(guān)斷，就可使電機(jī)定子繞組中產(chǎn)生并流過直流電流，旋轉(zhuǎn)著的電動機(jī)就會對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生制動作用。達(dá)到先電氣制動后機(jī)械制動合理的配合，減少對制動器的磨損，避免對起重機(jī)的沖擊。

圖4 可以正反轉(zhuǎn)交流調(diào)壓器

3.2.2 定子調(diào)壓調(diào)速控制方式的優(yōu)點(diǎn)

（1）平穩(wěn)地加速與減速，合理的斜坡時(shí)間，減少對電動機(jī)及機(jī)械構(gòu)件，齒輪及聯(lián)軸器的沖擊。

（2）起重機(jī)電器制動和液壓機(jī)械制動進(jìn)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(jī)械制動。定子調(diào)壓調(diào)速以優(yōu)異的性能、良好的環(huán)境適應(yīng)能力受到歡迎。

（3）具有扭矩保護(hù)、相序保護(hù)、欠壓保護(hù)，更好的解決了外部故障帶來的危險(xiǎn)。

4 故障的排除

4.1 溫差

起重機(jī)應(yīng)用繞線電機(jī)，溫度異常升高應(yīng)注意以下事項(xiàng)[3]。

各地環(huán)境溫度的不同，繞線式電機(jī)相應(yīng)的設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)溫度，過去設(shè)計(jì)的電動機(jī)一般采用35℃，而從上世紀(jì)70年代后設(shè)計(jì)的Y系列繞線電動機(jī)則用40℃。

起重機(jī)正常的工作環(huán)境對于正常運(yùn)行的電動機(jī)，在額定負(fù)荷最高轉(zhuǎn)速下電動機(jī)的溫升應(yīng)與環(huán)境溫度的高低關(guān)系不大，如果當(dāng)環(huán)境溫度低于40℃時(shí)，其額定運(yùn)行溫升也不允許超出銘牌規(guī)定值。當(dāng)環(huán)境溫度比一臺正在額定運(yùn)行的A級絕緣電動機(jī)額定值降到10℃時(shí)，溫升允許并不認(rèn)為可以擴(kuò)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(rèn)為正常，這不一定對，如果未超過額定負(fù)荷，但是溫度已經(jīng)達(dá)到限定80℃，電動機(jī)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(shí)在額定載荷下正常運(yùn)行的繞線電動機(jī)，氣溫和電機(jī)溫升等相關(guān)因素也并不一定沒有關(guān)系。

（1）正常電動機(jī)運(yùn)行的溫升在氣溫下降時(shí)會相應(yīng)的減少一些。繞組電阻值下降，因?yàn)殂~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(jī)風(fēng)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(nèi)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(jī)還是比較大的。

（3）在南方空氣濕度升高，會使電機(jī)導(dǎo)熱加強(qiáng)，溫升可降0.3℃左右。

（4）海拔以1000m為標(biāo)準(zhǔn)，每升100m，溫升增加其極限值的1%。

4.2 電動機(jī)本身故障

當(dāng)發(fā)生以下任何一種情況時(shí)，說明電動機(jī)本身有故障：

（1）最高限定溫度已達(dá)到上限，并且電機(jī)是正常運(yùn)行。

（2）電機(jī)運(yùn)行過程中環(huán)境溫度沒超過規(guī)定，負(fù)載很小但是電機(jī)溫升過高增大。

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

4.3 轉(zhuǎn)子開路

轉(zhuǎn)子繞組線路有斷開點(diǎn)，電機(jī)聲音大，轉(zhuǎn)矩不夠。

4.4 轉(zhuǎn)子短路

轉(zhuǎn)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(xiǎn)。

4.5 轉(zhuǎn)矩故障

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

5 結(jié)束語

繞線式電機(jī)在起重機(jī)的安全使用十分重要，做好維護(hù)保養(yǎng)工作，選型時(shí)注意銘牌上的數(shù)據(jù)。滑環(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(diào)速和定子調(diào)壓調(diào)速。維修和設(shè)計(jì)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(diào)壓調(diào)速控制系統(tǒng)較為復(fù)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(diào)速方式改成定子調(diào)壓調(diào)速方式，更加安全可靠。