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）

1 功能的提出

GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB/T 6067.1—2010《起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分：總則》，對(duì)電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)提出了相同要求：“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”[1-2]。新修訂的《起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則》、《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》也提出了類似要求[3-4]。與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)》（以下簡(jiǎn)稱“橋規(guī)”）的要求相比，已經(jīng)有了較大升級(jí)[5]。

1）擴(kuò)大了條款的適用范圍。

原“橋規(guī)”條款只限定為吊運(yùn)熔融金屬的橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，現(xiàn)在擴(kuò)大到所有起重機(jī)械的起升機(jī)構(gòu)（《起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則》要求略有不同）。

2）擴(kuò)大了條款的保護(hù)范圍。

原“橋規(guī)”條款只針對(duì)采用正反向接觸器的電路提出了“正反向接觸器故障保護(hù)要求”，對(duì)采用變頻器、定子調(diào)壓裝置等調(diào)速裝置的起重機(jī)卻沒有要求，導(dǎo)致很多采用調(diào)速裝置的起重機(jī)不受條款約束。而現(xiàn)在則不論采用何種調(diào)速方式，都應(yīng)該具有保護(hù)功能。

電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)功能，實(shí)質(zhì)是規(guī)定了用于位能性負(fù)載的起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)和制動(dòng)器之間的動(dòng)作關(guān)系。即電動(dòng)機(jī)失電，在重力的作用下負(fù)載會(huì)自由墜落，導(dǎo)致事故。因此要求在危險(xiǎn)情況時(shí)，制動(dòng)器能及時(shí)自動(dòng)抱閘，保障安全。必須指出，目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的該保護(hù)功能僅限于調(diào)速裝置或正反向接觸器故障原因?qū)е碌碾妱?dòng)機(jī)失控時(shí)，制動(dòng)器應(yīng)立即抱閘。并不包括其他原因?qū)е碌碾妱?dòng)機(jī)定子異常失電，在運(yùn)用條款時(shí)不應(yīng)隨便擴(kuò)大要求范圍。

2 常見的功能實(shí)現(xiàn)方式

2.1 采用正反向接觸器的控制電路

●2.1.1 原有控制電路的缺陷

繞線式異步電動(dòng)機(jī)可以通過轉(zhuǎn)子滑環(huán)串接電阻，既可用于減壓起動(dòng)，又可用于調(diào)速，在起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“采用控制屏控制的繞線式異步電動(dòng)機(jī)起升機(jī)構(gòu)，在下降過程中應(yīng)有電氣制動(dòng)。”目前采用最多的是反接制動(dòng)，俗稱“倒拉反轉(zhuǎn)”制動(dòng)，如圖1（a）所示，下降1-3檔時(shí)實(shí)際接通的是上升接觸器ZC。在重載時(shí)由于負(fù)載力矩大于電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，吊重下降運(yùn)行，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻礙重物下降的。下降4-6檔時(shí)接通的是下降接觸器FC，用于輕載或強(qiáng)力下降。而在3檔和4檔的切換過渡階段，即在上升和下降兩個(gè)正反向接觸器間轉(zhuǎn)換時(shí)，為防止相間短路，在某一瞬間上升/下降接觸器都不通電。此時(shí)制動(dòng)器ZDC會(huì)失電自動(dòng)抱閘，導(dǎo)致沖擊，即發(fā)生“搶閘”現(xiàn)象。為防止“搶閘”，在制動(dòng)器ZDC線圈回路中，給上升接觸器ZC和下降接觸器FC的觸點(diǎn)上并聯(lián)了制動(dòng)器的一個(gè)常開觸點(diǎn)形成“自鎖”。但也埋下了事故隱患，如果換擋過程中正反向接觸器因故障不能正常工作，此時(shí)電動(dòng)機(jī)就處于失電狀態(tài)，而制動(dòng)器又因“自鎖”不能自動(dòng)抱閘，造成重物自由墜落[6]。

●2.1.2 改進(jìn)的控制電路

針對(duì)上述問題，目前比較常見的保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)方案是刪除制動(dòng)器的“自鎖”，同時(shí)增加時(shí)間繼電器，用延時(shí)斷開制動(dòng)器的方式避免換擋“搶閘”。如圖1（b）所示，刪除了原電路中用于自鎖的觸點(diǎn)，同時(shí)上升接觸器ZC和下降接觸器FC的常開觸點(diǎn)ZC和FC不直接控制制動(dòng)器線圈ZDC，而是控制斷電延時(shí)繼電器KT01，用KT01的延時(shí)斷開觸點(diǎn)控制制動(dòng)器線圈ZDC。這樣在換向過渡階段，短時(shí)間內(nèi)，用于上升和下降的正反向接觸器觸點(diǎn)斷開時(shí)，利用時(shí)間繼電器延時(shí)斷開的特性，維持制動(dòng)器打開，避免搶閘；如果正反向接觸器發(fā)生故障，導(dǎo)致時(shí)間繼電器回路中的正反向接觸器觸點(diǎn)無法閉合，那么時(shí)間繼電器在到達(dá)設(shè)定時(shí)間后，會(huì)斷開制動(dòng)器回路中的觸點(diǎn)KT01，使制動(dòng)器斷電抱閘，從而實(shí)現(xiàn)定子異常失電故障保護(hù)。

另一種電路也是刪除了制動(dòng)器自鎖，如圖2所示，增加了一個(gè)通電延時(shí)時(shí)間繼電器K01和中間繼電器K7。當(dāng)起重機(jī)由下降2檔轉(zhuǎn)為3檔時(shí)，在某一瞬間，上升接觸器ZC和下降接觸器FC均處于未通電狀態(tài)，此時(shí)，由于K7的一個(gè)常開觸點(diǎn)承擔(dān)了原制動(dòng)器接觸器自鎖的功能，所以短時(shí)間內(nèi)制動(dòng)器仍處于開啟狀態(tài)。同時(shí)，K01線圈得電，如果出現(xiàn)正反向接觸器故障，超過了K01設(shè)定的延時(shí)時(shí)間，則K01對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)延時(shí)斷開，導(dǎo)致K7線圈斷電，K7對(duì)應(yīng)的觸點(diǎn)動(dòng)作，制動(dòng)器ZDC1和ZDC2接觸器線圈先后失電，制動(dòng)器上閘。

圖1 正反向接觸器控制電路

圖2 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速定子異常失電改進(jìn)電路

還有的實(shí)現(xiàn)方案則是回避“反接制動(dòng)”這種電氣制動(dòng)方式，通過采用自激動(dòng)力調(diào)速等其他電路以避免換擋搶閘情況的發(fā)生。

應(yīng)該指出的是，無論是通過延時(shí)電路還是采用自激動(dòng)力調(diào)速等其他電路，大多都是針對(duì)鐵嶺“4.18”事故的直接原因，刪除制動(dòng)器自鎖這個(gè)“電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷”。但是這種就問題改問題的方案實(shí)際保護(hù)能力有限，離定子異常失電保護(hù)功能要求還有差距，急需改進(jìn)。例如：如果在時(shí)間繼電器線圈回路中正反向接觸器常開觸點(diǎn)發(fā)生故障（比如粘連），而此時(shí)正反向接觸器也沒有正常工作，那么制動(dòng)器依然會(huì)保持打開狀態(tài)，發(fā)生重物墜落事故。而采用自激動(dòng)力調(diào)速等其他電路的，本身電路復(fù)雜，故障點(diǎn)較多，也沒有增加其他新的技術(shù)手段來保障電動(dòng)機(jī)定子異常失電時(shí)制動(dòng)器能自動(dòng)抱閘。

2.2 采用調(diào)速裝置的控制電路

●2.2.1 凸輪控制器控制

對(duì)于Nt>Nr的系統(tǒng)中，CR包括以下兩部分：①計(jì)算一個(gè)需要3次實(shí)數(shù)乘法，有2Nr個(gè)；②由于R1是上三角矩陣，所以在①中包含了(2Nt- l )個(gè)無效操作。因此總共需要(4Nr+l )次實(shí)數(shù)乘法，可以得到改進(jìn)檢測(cè)算法的計(jì)算復(fù)雜度CMy-SD的上界：

凸輪控制器是一種手動(dòng)控制器，在起重機(jī)中可以直接控制中小功率繞線異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、停止、換向和調(diào)速。如圖3所示，凸輪控制器可直接實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)換向，電路中沒有正反向接觸器，由于制動(dòng)器直接和電動(dòng)機(jī)并聯(lián)，電動(dòng)機(jī)通電時(shí)，制動(dòng)器通電開閘；電動(dòng)機(jī)失電時(shí)，制動(dòng)器也斷電抱閘。盡管電路簡(jiǎn)單，倒是很符合電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)的要求。

●2.2.2 定子調(diào)壓調(diào)速裝置

早期定子調(diào)壓調(diào)速裝置一般沒有輸出端電流反饋檢測(cè)，不能檢測(cè)和電動(dòng)機(jī)定子電流相關(guān)的故障。同時(shí)晶閘管單元只有三組模塊，電動(dòng)機(jī)換向需通過正反向接觸器實(shí)現(xiàn)，因此電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)除了調(diào)速裝置之外，還要考慮正反向接觸器的失效問題[7]。

新一代的調(diào)壓調(diào)速裝置的晶閘管單元，將原有的三組模塊變?yōu)槲褰M反并聯(lián)的晶閘管模塊，可以直接實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)換向，無須正反向接觸器。同時(shí)配以電流反饋環(huán)（電流互感器），實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)定子電流，加之裝置自身完善的故障保護(hù)輸出功能，基本可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中的要求。

但此類電路中制動(dòng)器控制信號(hào)由定子調(diào)壓調(diào)速裝置本身輸出，在某些特定的情況時(shí)（如裝置本身的電路或程序故障，或裝置嚴(yán)重?zé)龤В?，可能?huì)導(dǎo)致制動(dòng)器不能正常工作，留有隱患。

圖3 凸輪控制器電路

圖4 變頻器保護(hù)單元示意圖

采用變頻器調(diào)速的起升機(jī)構(gòu)定子異常失電保護(hù)功能，主要是依靠變頻器自身集成的故障檢測(cè)功能來實(shí)現(xiàn)。如圖4所示，變頻器通過采樣電路取得的電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速等信號(hào)經(jīng)處理后輸入至故障保護(hù)電路。故障保護(hù)有欠壓、缺相、過壓、過流、過載、短路以及溫度過高等保護(hù)。但通用變頻器的功能設(shè)定不一定適用起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)，應(yīng)選用具有相應(yīng)功能的起重機(jī)專用變頻器。此外變頻器的起升控制電路由PLC或繼電器—接觸器電路進(jìn)行，即變頻器不直接控制制動(dòng)器，避免了因裝置本身的失效導(dǎo)致制動(dòng)器不能正常動(dòng)作。

3 改進(jìn)的建議

3.1 制動(dòng)器控制電路

制動(dòng)器是實(shí)現(xiàn)定子異常失電保護(hù)功能的重要執(zhí)行部件，其能否正常工作是整個(gè)保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。如圖5（a）所示，目前制動(dòng)器動(dòng)作電路大多僅由一個(gè)接觸器控制（包括吊運(yùn)熔融金屬起重機(jī)的雙制動(dòng)器控制回路），但是如果這個(gè)接觸器本身發(fā)生故障（如粘連），那么即使前面的邏輯功能再?gòu)?qiáng)，制動(dòng)器也無法斷電抱閘。針對(duì)這種問題，一種簡(jiǎn)單的方案是增加一個(gè)接觸器，兩個(gè)接觸器線圈并聯(lián)，常開觸點(diǎn)串聯(lián)見圖5（b），實(shí)現(xiàn)同時(shí)工作并互為冗余備份。畢竟兩個(gè)接觸器同時(shí)故障的概率要小很多。當(dāng)然，對(duì)于那些重要的特殊場(chǎng)合，有兩套能獨(dú)立工作的制動(dòng)器就更好了。

圖5 制動(dòng)器控制線路

3.2 增加獨(dú)立的檢測(cè)裝置

目前起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的定子異常失電保護(hù)功能仍有不足。對(duì)于采用傳統(tǒng)正反向接觸器電路的控制電路，可以適當(dāng)增加獨(dú)立的檢測(cè)保護(hù)手段（如裝設(shè)電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器等），降低危險(xiǎn)發(fā)生概率。不建議通過增加相應(yīng)電器元件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，以避免增加新的故障點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過上述分析可見，大部分調(diào)速裝置因其相對(duì)完善的故障保護(hù)檢測(cè)措施，基本能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用正反向接觸器的控制電路，因其保護(hù)能力有限，還需要進(jìn)一步改進(jìn)完善功能。另一方面，起重機(jī)使用單位不能因?yàn)橛辛讼嚓P(guān)保護(hù)功能而忽略了維護(hù)保養(yǎng)，這對(duì)于防止事故發(fā)生也是非常重要的。

[1] GB/T 3811—2008 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB/T 6067.1—2010 起重機(jī)械安全規(guī)程 第1部分：總則[S].

[3] TSG Q7016—2016 起重機(jī)械安裝改造重大修理監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[4] TSG Q7015—2016 起重機(jī)械定期檢驗(yàn)規(guī)則[S].

[5] 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)[S].

[6] 梁有明.起重機(jī)電動(dòng)機(jī)定子異常失電保護(hù)檢驗(yàn)[J].中國(guó)設(shè)備工程，2 016（12）：47-48.

[7] 陳序，李向東. 起升機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)定子異常失電的原因分析[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2017，33（03）：75-78.