高永軍

（湖南中冶長(zhǎng)天重工科技發(fā)展公司，湖南 長(zhǎng)沙 410217）

升降橫移式立體車庫(kù)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，市場(chǎng)占有率比較高。如果在驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和后期維護(hù)中，電磁制動(dòng)電機(jī)、電磁制動(dòng)用整流模塊、制動(dòng)線路選擇配合不當(dāng)，可能導(dǎo)致載車板在升降后停止時(shí)，制動(dòng)距離過大而危害設(shè)備安全運(yùn)行。

1 載車板制動(dòng)異常超程的狀況

某公司在立體車庫(kù)研發(fā)試制過程中，在做載車板載重的標(biāo)載和超載試驗(yàn)時(shí)，在下降后停止過程中制動(dòng)距離過大，載車板出現(xiàn)較為明顯的長(zhǎng)距離下滑“溜車”現(xiàn)象；在電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家調(diào)整更換了電磁制動(dòng)器、制動(dòng)用整流模塊、減速電機(jī)等后情況沒有明顯改善。筆者應(yīng)邀到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，觀察到如下現(xiàn)象：（1）載車板下降停止時(shí)制動(dòng)距離較大，設(shè)備的音調(diào)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(dòng)，并帶動(dòng)車庫(kù)框架整體明顯震動(dòng)；（3）電動(dòng)機(jī)停止后不會(huì)再轉(zhuǎn)動(dòng)，沒有發(fā)生制動(dòng)停止后再下滑“溜車”的現(xiàn)象。因此筆者初步判斷制動(dòng)器制動(dòng)力矩基本能夠滿足要求，制動(dòng)過程中，出現(xiàn)變化較快的下降、減速的過程，制動(dòng)距離過大可能是某種原因?qū)е轮苿?dòng)器延遲介入造成。

2 載車板驅(qū)動(dòng)原理

該升降橫移式立體車庫(kù)載車板升降驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)接觸器KM1/KM2 和載車板選擇接觸器KM3，驅(qū)動(dòng)載車板減速電機(jī)M1（減速機(jī)、電機(jī)、電磁制動(dòng)器一體）可逆運(yùn)轉(zhuǎn)；位于電動(dòng)機(jī)接線盒內(nèi)的電磁制動(dòng)用整流模塊A 得電，輸出直流激磁電流給位于電動(dòng)機(jī)軸尾部的制動(dòng)器YC的激磁線圈，此線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸引壓力盤，壓力盤和摩擦盤出現(xiàn)間隙，使電動(dòng)機(jī)軸失去摩擦制動(dòng)力，減速電機(jī)在三相電源的作用下驅(qū)動(dòng)鋼絲繩卷筒，鋼絲繩經(jīng)過固定在框架兩側(cè)的定滑輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)載車板的升降驅(qū)動(dòng)；載車板停止時(shí)，KM1-3 斷電，制動(dòng)器因失去激磁電流而失磁，壓力盤在復(fù)位彈簧的作用下和制動(dòng)盤結(jié)合進(jìn)行機(jī)械制動(dòng)，控制載車板停止在相應(yīng)位置。

圖1 載車板升降驅(qū)動(dòng)回路

3 制動(dòng)檢測(cè)

3.1 程行程測(cè)定。由于制動(dòng)過程時(shí)間短、速度快，不易直接標(biāo)定停止開始時(shí)刻載車板的位置，為了能夠準(zhǔn)確測(cè)量超程距離，在現(xiàn)場(chǎng)把一個(gè)測(cè)量所需要的行程開關(guān)加裝在一個(gè)支架上，行程開關(guān)和急停按鈕回路串聯(lián)，載車板向上或者向下運(yùn)動(dòng)過程中碰觸到行程開關(guān)即可發(fā)出停止信號(hào)使載車板驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電。測(cè)量載車板停止后撞塊至行程開關(guān)的距離，就可以得到停車過程中的實(shí)際制動(dòng)距離[1]。

3.2 電氣測(cè)量。電參數(shù)測(cè)量測(cè)試設(shè)備采用配合筆記本使用的虛擬示波器，為了方便安全的測(cè)量[2]，制動(dòng)回路采取了隔離措施。受實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)器材限制，變壓器采用2 只普通380/24V 控制變壓器T1、T2“背對(duì)背”的接法，輸入輸出端隔離，輸出對(duì)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(cè)量電動(dòng)機(jī)端電壓；CH2 端接示波器CH2 通道，測(cè)量離合器電流。該方式可以解決待測(cè)電壓超過示波器的量程的困難，還方便電機(jī)電壓回路和制動(dòng)激磁線圈電流回路建立共同的參考點(diǎn)，方便交流電壓、直流電流雙蹤同步對(duì)比測(cè)量；同時(shí)還防止出現(xiàn)待測(cè)電壓對(duì)“大地”有高電壓、測(cè)量設(shè)備“地”直接帶電，可以有效防止損壞測(cè)量設(shè)備和發(fā)生觸電事故，保證了測(cè)量過程的安全。

圖2 驅(qū)動(dòng)回路示波器隔離測(cè)量

4 下降過程分析

4.1 下降時(shí)各階段波形分析

4.1.1 A 點(diǎn)以前：CH1 通道電動(dòng)機(jī)端電壓、CH2 通道整流勵(lì)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(dòng)機(jī)通入逆向序電源瞬間，制動(dòng)器還沒有完全打開，電動(dòng)機(jī)克服制動(dòng)沒有完全消失的制動(dòng)力矩和傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦力矩，開始逆時(shí)針反方向啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著制動(dòng)器完全打開，電動(dòng)機(jī)克服阻力驅(qū)動(dòng)卷筒迅速加速反轉(zhuǎn)，失去制動(dòng)的卷筒在載車板重力作用逆時(shí)針方向加速旋轉(zhuǎn)。此過程中，轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同方向逆向旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n 低于定子磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n0，轉(zhuǎn)差率0＜s≤1。轉(zhuǎn)子鼠條相對(duì)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行是順時(shí)針方向切割，受電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用，電磁力矩F 形成的轉(zhuǎn)矩M 同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向同向，電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)（見圖4 和圖5 第Ⅲ象限）；隨著載車板在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力F 和重力作用下不斷加速，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近到磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速n0，n≈n0，轉(zhuǎn)差率S≈0 ，此時(shí)鼠籠轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)基本同步，不再切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M≈0，載車板過渡到克服傳動(dòng)阻力拖動(dòng)卷筒自由加速的反轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷增加超過旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速后n＞n0，s＜0，此時(shí)雖然轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，但轉(zhuǎn)子鼠條開始同旋轉(zhuǎn)方向切割定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電磁力矩F 形成的轉(zhuǎn)矩M 同旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相反，電機(jī)輸出電磁阻轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入再生反饋發(fā)電狀態(tài)，（見圖6 和圖5 第Ⅳ象限）；電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出到外電網(wǎng)；由于電磁阻轉(zhuǎn)矩對(duì)加速下降的載車板為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)差率S 的不斷增大，電動(dòng)機(jī)輸出的反向制動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸向增大，最終使得電動(dòng)機(jī)在略高于同步轉(zhuǎn)速n0 的狀態(tài)下控制載車板穩(wěn)定下降。

圖3 下降制動(dòng)距離過大時(shí)的波形-時(shí)基50ms/div

圖4 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)狀態(tài)

圖5 電動(dòng)與再生反饋發(fā)電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速和力矩方向

圖6 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的反饋發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)

4.1.2 A 點(diǎn)-B 點(diǎn)階段（見圖3）：CH1、CH2 通道頻率不斷開始上升，經(jīng)過150ms 到達(dá)B 點(diǎn)時(shí)，每周期僅10ms，頻率高達(dá)100HZ ；A 點(diǎn)出現(xiàn)的尖峰干擾，實(shí)際為載車板碰觸急停限位開關(guān)后，電源接觸器斷開導(dǎo)致系統(tǒng)緊急斷電時(shí)而引起的電磁干擾。系統(tǒng)緊急斷電時(shí)，被電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化的定子、轉(zhuǎn)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(dòng)下，轉(zhuǎn)子剩磁N、S 形成的磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，定子、轉(zhuǎn)子間氣隙磁通發(fā)生變化，導(dǎo)致三相定子線圈AX/BY/CZ 輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[4]，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入剩磁發(fā)電狀態(tài)（見圖7）。此發(fā)電狀態(tài)與A 點(diǎn)前的回饋發(fā)電狀態(tài)不同，此時(shí)電動(dòng)機(jī)脫離了電網(wǎng)，定子沒有電流，也不再產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。但電動(dòng)機(jī)的剩磁感應(yīng)電勢(shì)，干擾了整流模塊，使得本應(yīng)斷電的整流模塊繼續(xù)得到了電源并繼續(xù)為制動(dòng)器線圈輸出激磁電流，導(dǎo)致電機(jī)沒有進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)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(dòng)機(jī)感應(yīng)電勢(shì)頻率取決于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，即載車板下降的速度。在圖3 中，我們可以觀察到電機(jī)頻率迅速上升增加了一倍，結(jié)合電動(dòng)機(jī)聲音音調(diào)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(shí)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(dá)B 點(diǎn)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(dá)C 點(diǎn)后為零。CH2 通道即制動(dòng)器輸入電流降低為0，即整流模塊斷開了制動(dòng)器的激磁電流，制動(dòng)器的壓力盤、制動(dòng)盤在回位彈簧的作用結(jié)合，真正進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)；進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)后，CH1 通道頻率、幅值的下降，反應(yīng)出了電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降以及轉(zhuǎn)子剩磁的不斷減弱，最終，歷經(jīng)180ms 在制動(dòng)器的機(jī)械制動(dòng)下載車板停止下降。

經(jīng)數(shù)次實(shí)測(cè)，載車板制動(dòng)距離約為320mm，屬于嚴(yán)重的制動(dòng)距離超程。

4.2 制動(dòng)線路的相應(yīng)優(yōu)化。為了克服剩磁感應(yīng)電勢(shì)對(duì)電磁制動(dòng)用整流模塊的影響，我們對(duì)制動(dòng)模塊輸入回路進(jìn)行了改造。如圖8所示，改為經(jīng)由KM3 主觸點(diǎn)后再經(jīng)過輔助觸點(diǎn)為制動(dòng)用整流模塊單獨(dú)供電，一定程度上還可以防止接觸器主回路缺相時(shí)，電磁離合器不吸合，繼續(xù)維持制動(dòng)狀態(tài)，保證安全，例如可以防止上升接觸器缺相運(yùn)行且制動(dòng)器被打開會(huì)導(dǎo)致載車板下降的安全事故，當(dāng)然缺點(diǎn)是需要增加一根控制線。對(duì)改進(jìn)的圖8 控制方式，我們?cè)俅芜M(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)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(jìn)入整流模塊，CH2 通道的模塊輸入電流迅速為零，進(jìn)入機(jī)械制動(dòng)狀態(tài)；CH1 通道的頻率也較快的變化到為0，經(jīng)過實(shí)測(cè)，載車板制動(dòng)距離僅為100mm，制動(dòng)過程平穩(wěn)，完全符合對(duì)制動(dòng)距離的要求。

圖8 改進(jìn)的制動(dòng)回路

圖9 改進(jìn)后下降過程波形-時(shí)基50ms/div

5 電磁制動(dòng)用整流模塊和電磁制動(dòng)器制動(dòng)器

電磁制動(dòng)用整流模塊，市售型號(hào)繁多，都為灌膠封裝，并有簡(jiǎn)單接線標(biāo)識(shí)，但鮮有文獻(xiàn)資料介紹內(nèi)部詳細(xì)電路原理。

5.1 從電工學(xué)、電子學(xué)原理、以及類似應(yīng)用的直流電磁鐵、吸盤、繼電器、接觸器等感性類負(fù)載的驅(qū)動(dòng)、節(jié)能、保護(hù)電路來(lái)分析，單相半波整流和續(xù)流二極管即可構(gòu)成最簡(jiǎn)單實(shí)用的整流電路供線圈類感性負(fù)載使用；如果電路勵(lì)磁電流可變，先大后小，即大勵(lì)磁電流使制動(dòng)器壓力盤快速動(dòng)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(chǔ)能量；如果制動(dòng)時(shí)，僅切斷交流輸入部分，由于制動(dòng)器線圈屬于感性儲(chǔ)能元件，直流勵(lì)磁電流會(huì)通過內(nèi)部續(xù)流元件繼續(xù)維持導(dǎo)通導(dǎo)致磁通衰減時(shí)間延長(zhǎng)。如果制動(dòng)時(shí)只是簡(jiǎn)單的直接切斷直流勵(lì)磁電流回路，雖然會(huì)使磁通電流建立的磁場(chǎng)迅速消失，但過大的電流變化率，會(huì)導(dǎo)致線圈由于自感應(yīng)產(chǎn)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(lái)抑制過電壓。如果制動(dòng)器配置雙線圈，也可以通過啟動(dòng)時(shí)線圈強(qiáng)勵(lì)磁、正常工作時(shí)弱勵(lì)磁，制動(dòng)時(shí)甚至可以反向勵(lì)磁來(lái)加速磁通的建立和消除，同樣可以提高制動(dòng)器的反應(yīng)速度。

5.2 從部分有實(shí)力的生產(chǎn)商的樣本可以看到，相同型號(hào)的制動(dòng)器一般會(huì)對(duì)應(yīng)有不同的整流模塊供用戶選擇。既有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)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(lì)磁電流大小時(shí)間長(zhǎng)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(dòng)時(shí)是切斷交流電源回路還是斷開直流勵(lì)磁電流，方便用戶來(lái)選擇普通、快速制動(dòng)模式。少量整流模塊還附加了電壓、電流繼電器等來(lái)判別電機(jī)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(jī)回路中。

5.3 選擇制動(dòng)用整流模塊，除了要考慮相應(yīng)的勵(lì)磁電壓外，還必須考慮所驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)制動(dòng)器的動(dòng)作時(shí)間、制動(dòng)距離的要求，以下幾個(gè)指標(biāo)要引起重視：（1）釋放時(shí)間即從接通電源到制動(dòng)器釋放打開的時(shí)間；（2）制動(dòng)時(shí)間，即從控制回路斷開到獲得額定摩擦扭矩的時(shí)間；（3）延遲制動(dòng)時(shí)間，即從控制電路斷開到扭矩開始上升的時(shí)間。從產(chǎn)品樣本上看，整流模塊快速、慢速控制方式下，延遲制動(dòng)時(shí)間一般會(huì)有5-10 倍的明顯差別，它很大程度決定了制動(dòng)距離的長(zhǎng)短。制動(dòng)器的壓力盤、摩擦盤分離結(jié)合過慢，將增大啟動(dòng)、制動(dòng)中的過渡時(shí)間，增大啟動(dòng)阻力，加快過渡過程中制動(dòng)盤的磨損。而過快的制動(dòng)反應(yīng)速度，有可能導(dǎo)致負(fù)載停機(jī)過快造成沖擊過大，并因整流模塊和控制回路復(fù)雜程度增加導(dǎo)致成本的增加。

6 電動(dòng)機(jī)剩磁

一般情況下，電動(dòng)機(jī)剩磁量和衰減時(shí)間一般會(huì)隨電機(jī)容量增大而增大[5]，如果電機(jī)鐵磁材料選用不當(dāng)，還有可能更加嚴(yán)重。剩磁一般會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。首先剩磁會(huì)導(dǎo)致電機(jī)交變磁化時(shí)鐵損增大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致電機(jī)過熱；另外，剩磁會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)斷電后，如果負(fù)載的動(dòng)能較大，電動(dòng)機(jī)剩磁發(fā)電會(huì)產(chǎn)生較大能量。如電機(jī)在星三角轉(zhuǎn)換、工頻、變頻切換過程中，會(huì)因切換時(shí)刻剩磁電勢(shì)相位和電源相位相位差過大，導(dǎo)致變換過程出現(xiàn)大沖擊電流，從而引起保護(hù)動(dòng)作；本例則是剩磁發(fā)電延遲了整流模塊的快速制動(dòng)。

7 結(jié)論

綜合以上觀察、分析，此例載車板下降制動(dòng)時(shí)距離過大，是由多種原因造成。電動(dòng)機(jī)剩磁導(dǎo)致勢(shì)能負(fù)載下剩磁再生能量較大；整流模塊選型不匹配，不能有效識(shí)別并切斷電機(jī)斷電后出現(xiàn)的再生電壓；被延遲的斷電制動(dòng)又導(dǎo)致具有勢(shì)能的載車板出現(xiàn)了超速下降現(xiàn)象，惡化了制動(dòng)條件，不但造成了載車板下降制動(dòng)時(shí)制動(dòng)距離超長(zhǎng)，還對(duì)設(shè)備造成了較大的沖擊。在以上條件不能滿足時(shí)，可考慮更改整流模塊的電源控制控制方式，采用獨(dú)立觸點(diǎn)來(lái)隔離電機(jī)端剩磁感應(yīng)電壓，加快制動(dòng)過程，保證載車板在停止時(shí)制動(dòng)快速、平穩(wěn)，距離在合理的范圍內(nèi)。