高永軍

（湖南中冶長天重工科技發(fā)展公司，湖南 長沙 410217）

升降橫移式立體車庫，由于結構簡單，市場占有率比較高。如果在驅動設計和后期維護中，電磁制動電機、電磁制動用整流模塊、制動線路選擇配合不當，可能導致載車板在升降后停止時，制動距離過大而危害設備安全運行。

1 載車板制動異常超程的狀況

某公司在立體車庫研發(fā)試制過程中，在做載車板載重的標載和超載試驗時，在下降后停止過程中制動距離過大，載車板出現(xiàn)較為明顯的長距離下滑“溜車”現(xiàn)象；在電動機生產廠家調整更換了電磁制動器、制動用整流模塊、減速電機等后情況沒有明顯改善。筆者應邀到達現(xiàn)場，觀察到如下現(xiàn)象：（1）載車板下降停止時制動距離較大，設備的音調出現(xiàn)明顯的高低變化；（2）完全停止后載車板以及上面的模擬車輛上下大幅晃動，并帶動車庫框架整體明顯震動；（3）電動機停止后不會再轉動，沒有發(fā)生制動停止后再下滑“溜車”的現(xiàn)象。因此筆者初步判斷制動器制動力矩基本能夠滿足要求，制動過程中，出現(xiàn)變化較快的下降、減速的過程，制動距離過大可能是某種原因導致制動器延遲介入造成。

2 載車板驅動原理

該升降橫移式立體車庫載車板升降驅動采用如下方式：如圖1，電源經(jīng)過總急停電源接觸器KM0、正反轉接觸器KM1/KM2 和載車板選擇接觸器KM3，驅動載車板減速電機M1（減速機、電機、電磁制動器一體）可逆運轉；位于電動機接線盒內的電磁制動用整流模塊A 得電，輸出直流激磁電流給位于電動機軸尾部的制動器YC的激磁線圈，此線圈產生的磁場吸引壓力盤，壓力盤和摩擦盤出現(xiàn)間隙，使電動機軸失去摩擦制動力，減速電機在三相電源的作用下驅動鋼絲繩卷筒，鋼絲繩經(jīng)過固定在框架兩側的定滑輪，實現(xiàn)對載車板的升降驅動；載車板停止時，KM1-3 斷電，制動器因失去激磁電流而失磁，壓力盤在復位彈簧的作用下和制動盤結合進行機械制動，控制載車板停止在相應位置。

圖1 載車板升降驅動回路

3 制動檢測

3.1 程行程測定。由于制動過程時間短、速度快，不易直接標定停止開始時刻載車板的位置，為了能夠準確測量超程距離，在現(xiàn)場把一個測量所需要的行程開關加裝在一個支架上，行程開關和急停按鈕回路串聯(lián)，載車板向上或者向下運動過程中碰觸到行程開關即可發(fā)出停止信號使載車板驅動電機斷電。測量載車板停止后撞塊至行程開關的距離，就可以得到停車過程中的實際制動距離[1]。

3.2 電氣測量。電參數(shù)測量測試設備采用配合筆記本使用的虛擬示波器，為了方便安全的測量[2]，制動回路采取了隔離措施。受實驗現(xiàn)場器材限制，變壓器采用2 只普通380/24V 控制變壓器T1、T2“背對背”的接法，輸入輸出端隔離，輸出對地電壓為零，總變比1:1；電流取樣電阻R 采用熱繼電器的發(fā)熱元件替代（見圖2）。CH1 端接示波器CH1 通道，測量電動機端電壓；CH2 端接示波器CH2 通道，測量離合器電流。該方式可以解決待測電壓超過示波器的量程的困難，還方便電機電壓回路和制動激磁線圈電流回路建立共同的參考點，方便交流電壓、直流電流雙蹤同步對比測量；同時還防止出現(xiàn)待測電壓對“大地”有高電壓、測量設備“地”直接帶電，可以有效防止損壞測量設備和發(fā)生觸電事故，保證了測量過程的安全。

圖2 驅動回路示波器隔離測量

4 下降過程分析

4.1 下降時各階段波形分析

4.1.1 A 點以前：CH1 通道電動機端電壓、CH2 通道整流勵磁模塊輸入電流波形每周期為20ms，頻率為50HZ（見圖3），載車板處于板正常下降階段。電動機通入逆向序電源瞬間，制動器還沒有完全打開，電動機克服制動沒有完全消失的制動力矩和傳動系統(tǒng)的摩擦力矩，開始逆時針反方向啟動運轉，隨著制動器完全打開，電動機克服阻力驅動卷筒迅速加速反轉，失去制動的卷筒在載車板重力作用逆時針方向加速旋轉。此過程中，轉子和旋轉磁場同方向逆向旋轉，但轉子轉速n 低于定子磁場同步轉速n0，轉差率0＜s≤1。轉子鼠條相對于旋轉磁場進行是順時針方向切割，受電動機轉子電流和旋轉磁場作用，電磁力矩F 形成的轉矩M 同旋轉磁場方向同向，電動機處于電動狀態(tài)（見圖4 和圖5 第Ⅲ象限）；隨著載車板在電機驅動力F 和重力作用下不斷加速，電動機轉速接近到磁場同步轉速n0，n≈n0，轉差率S≈0 ，此時鼠籠轉子和旋轉磁場基本同步，不再切割旋轉磁場，電機輸出轉矩M≈0，載車板過渡到克服傳動阻力拖動卷筒自由加速的反轉狀態(tài)；當電動機轉子轉速不斷增加超過旋轉磁場轉速后n＞n0，s＜0，此時雖然轉子和旋轉磁場同為逆時針旋轉，但轉子鼠條開始同旋轉方向切割定子旋轉磁場，電磁力矩F 形成的轉矩M 同旋轉磁場方向相反，電機輸出電磁阻轉矩，電動機進入再生反饋發(fā)電狀態(tài)，（見圖6 和圖5 第Ⅳ象限）；電機將機械能轉化為電能輸出到外電網(wǎng)；由于電磁阻轉矩對加速下降的載車板為制動轉矩，隨著轉差率S 的不斷增大，電動機輸出的反向制動轉矩逐漸向增大，最終使得電動機在略高于同步轉速n0 的狀態(tài)下控制載車板穩(wěn)定下降。

圖3 下降制動距離過大時的波形-時基50ms/div

圖4 逆時針旋轉的電動狀態(tài)

圖5 電動與再生反饋發(fā)電狀態(tài)下對應的轉速和力矩方向

圖6 逆時針旋轉的反饋發(fā)電制動狀態(tài)

4.1.2 A 點-B 點階段（見圖3）：CH1、CH2 通道頻率不斷開始上升，經(jīng)過150ms 到達B 點時，每周期僅10ms，頻率高達100HZ ；A 點出現(xiàn)的尖峰干擾，實際為載車板碰觸急停限位開關后，電源接觸器斷開導致系統(tǒng)緊急斷電時而引起的電磁干擾。系統(tǒng)緊急斷電時，被電動機旋轉磁場磁化的定子、轉子剩磁極性和位置保持在斷電前的狀態(tài)[3]，在載車板的拖動下，轉子剩磁N、S 形成的磁場旋轉，定子、轉子間氣隙磁通發(fā)生變化，導致三相定子線圈AX/BY/CZ 輸出感應電動勢[4]，電動機進入剩磁發(fā)電狀態(tài)（見圖7）。此發(fā)電狀態(tài)與A 點前的回饋發(fā)電狀態(tài)不同，此時電動機脫離了電網(wǎng)，定子沒有電流，也不再產生電磁轉矩。但電動機的剩磁感應電勢，干擾了整流模塊，使得本應斷電的整流模塊繼續(xù)得到了電源并繼續(xù)為制動器線圈輸出激磁電流，導致電機沒有進入機械制動狀態(tài)，致使載車板開始自由下降。沒有了電網(wǎng)的牽制，電動機感應電勢頻率取決于轉子的轉速，即載車板下降的速度。在圖3 中，我們可以觀察到電機頻率迅速上升增加了一倍，結合電動機聲音音調的變高，證明了載車板在A-B 階段，下降速度快速增大，最大時增加了一倍下降速度。

圖7 剩磁發(fā)電狀態(tài)

4.1.3 B-C 階段（見圖3）：到達B 點后，CH2 通道電流降低為0；CH1 通道頻率、幅值不斷下降，歷經(jīng)180ms 后到達C 點后為零。CH2 通道即制動器輸入電流降低為0，即整流模塊斷開了制動器的激磁電流，制動器的壓力盤、制動盤在回位彈簧的作用結合，真正進入機械制動狀態(tài)；進入機械制動狀態(tài)后，CH1 通道頻率、幅值的下降，反應出了電動機轉速開始下降以及轉子剩磁的不斷減弱，最終，歷經(jīng)180ms 在制動器的機械制動下載車板停止下降。

經(jīng)數(shù)次實測，載車板制動距離約為320mm，屬于嚴重的制動距離超程。

4.2 制動線路的相應優(yōu)化。為了克服剩磁感應電勢對電磁制動用整流模塊的影響，我們對制動模塊輸入回路進行了改造。如圖8所示，改為經(jīng)由KM3 主觸點后再經(jīng)過輔助觸點為制動用整流模塊單獨供電，一定程度上還可以防止接觸器主回路缺相時，電磁離合器不吸合，繼續(xù)維持制動狀態(tài)，保證安全，例如可以防止上升接觸器缺相運行且制動器被打開會導致載車板下降的安全事故，當然缺點是需要增加一根控制線。對改進的圖8 控制方式，我們再次進行了測試，測試結果見圖9。斷電后，由于KM3 的輔助觸頭斷開，有效的切斷了剩磁發(fā)電能量進入整流模塊，CH2 通道的模塊輸入電流迅速為零，進入機械制動狀態(tài)；CH1 通道的頻率也較快的變化到為0，經(jīng)過實測，載車板制動距離僅為100mm，制動過程平穩(wěn)，完全符合對制動距離的要求。

圖8 改進的制動回路

圖9 改進后下降過程波形-時基50ms/div

5 電磁制動用整流模塊和電磁制動器制動器

電磁制動用整流模塊，市售型號繁多，都為灌膠封裝，并有簡單接線標識，但鮮有文獻資料介紹內部詳細電路原理。

5.1 從電工學、電子學原理、以及類似應用的直流電磁鐵、吸盤、繼電器、接觸器等感性類負載的驅動、節(jié)能、保護電路來分析，單相半波整流和續(xù)流二極管即可構成最簡單實用的整流電路供線圈類感性負載使用；如果電路勵磁電流可變，先大后小，即大勵磁電流使制動器壓力盤快速動作，小電流維持壓力盤的吸合狀態(tài)，不但節(jié)能降低線圈發(fā)熱量，還可以降低線圈儲能量；如果制動時，僅切斷交流輸入部分，由于制動器線圈屬于感性儲能元件，直流勵磁電流會通過內部續(xù)流元件繼續(xù)維持導通導致磁通衰減時間延長。如果制動時只是簡單的直接切斷直流勵磁電流回路，雖然會使磁通電流建立的磁場迅速消失，但過大的電流變化率，會導致線圈由于自感應產生過高電壓，危害線圈絕緣，必須采用吸收元件例如壓敏電阻等來抑制過電壓。如果制動器配置雙線圈，也可以通過啟動時線圈強勵磁、正常工作時弱勵磁，制動時甚至可以反向勵磁來加速磁通的建立和消除，同樣可以提高制動器的反應速度。

5.2 從部分有實力的生產商的樣本可以看到，相同型號的制動器一般會對應有不同的整流模塊供用戶選擇。既有結構簡單，反應速度較慢的的帶續(xù)流二極管的單相半波、全波整流模塊，還有帶勵磁電流大小時間長短可變的可控硅整流模塊；有些模塊具備跳線選擇功能，可以選擇制動時是切斷交流電源回路還是斷開直流勵磁電流，方便用戶來選擇普通、快速制動模式。少量整流模塊還附加了電壓、電流繼電器等來判別電機電壓、電流電流的功能電路，例如某整流模塊要求部分端子串接到電機回路中。

5.3 選擇制動用整流模塊，除了要考慮相應的勵磁電壓外，還必須考慮所驅動設備對制動器的動作時間、制動距離的要求，以下幾個指標要引起重視：（1）釋放時間即從接通電源到制動器釋放打開的時間；（2）制動時間，即從控制回路斷開到獲得額定摩擦扭矩的時間；（3）延遲制動時間，即從控制電路斷開到扭矩開始上升的時間。從產品樣本上看，整流模塊快速、慢速控制方式下，延遲制動時間一般會有5-10 倍的明顯差別，它很大程度決定了制動距離的長短。制動器的壓力盤、摩擦盤分離結合過慢，將增大啟動、制動中的過渡時間，增大啟動阻力，加快過渡過程中制動盤的磨損。而過快的制動反應速度，有可能導致負載停機過快造成沖擊過大，并因整流模塊和控制回路復雜程度增加導致成本的增加。

6 電動機剩磁

一般情況下，電動機剩磁量和衰減時間一般會隨電機容量增大而增大[5]，如果電機鐵磁材料選用不當，還有可能更加嚴重。剩磁一般會對系統(tǒng)運行產生不利影響。首先剩磁會導致電機交變磁化時鐵損增大，長時間運行導致電機過熱；另外，剩磁會導致電動機斷電后，如果負載的動能較大，電動機剩磁發(fā)電會產生較大能量。如電機在星三角轉換、工頻、變頻切換過程中，會因切換時刻剩磁電勢相位和電源相位相位差過大，導致變換過程出現(xiàn)大沖擊電流，從而引起保護動作；本例則是剩磁發(fā)電延遲了整流模塊的快速制動。

7 結論

綜合以上觀察、分析，此例載車板下降制動時距離過大，是由多種原因造成。電動機剩磁導致勢能負載下剩磁再生能量較大；整流模塊選型不匹配，不能有效識別并切斷電機斷電后出現(xiàn)的再生電壓；被延遲的斷電制動又導致具有勢能的載車板出現(xiàn)了超速下降現(xiàn)象，惡化了制動條件，不但造成了載車板下降制動時制動距離超長，還對設備造成了較大的沖擊。在以上條件不能滿足時，可考慮更改整流模塊的電源控制控制方式，采用獨立觸點來隔離電機端剩磁感應電壓，加快制動過程，保證載車板在停止時制動快速、平穩(wěn)，距離在合理的范圍內。