起升机构电动机定子异常失电的原因分析

陈 序 李向东

（江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036）

起升机构电动机定子异常失电的原因分析

陈 序 李向东

（江苏省特种设备安全监督检验研究院 南京 210036）

本文初步对起升机构电动机定子可能出现异常失电的情况进行分析和探讨，为电动机定子异常失电保护功能的设计实现打下基础。

起升机构电动机 定子异常失电 原因分析 接触器 调速装置

对电动机定子异常失电保护功能的要求，最早可以追溯到2007年的铁岭清河特钢“4．18”钢水包倾覆特别重大事故后，国家质检总局特设局发布了《关于冶金起重机械整治工作有关意见的通知》（375号文），其中首次提到了“正反向接触器故障保护功能”。之后在紧急出台的TSG Q0002—2008《起重机械安全技术监察规程-桥式起重机》吸收了“375号文”专项整治的成果，明确提出了“吊运熔融金属的起重机，起升机构应具有正反向接触器故障保护功能”。同时相关的标准在进行修订时，也考虑到此方面内容，并进一步完善。GB/T 3811—2008《起重机设计规范》7．4．6条和GB 6067．1—2010《起重机械安全规程 第1部分：总则》8．6条对电动机定子异常失电保护提出了要求“起升机构电动机应设置定子异常失电保护功能，当调速装置或正反向接触器故障导致电动机失控时制动器应立即上闸”。2016年新修订再版的TSG Q7015—2016 和TSG Q7016—2016也提出了类似要求。然而，要在设计中实现符合规范、标准要求的定子异常失电保护功能，其前提是全面分析起升机构电动机可能出现定子异常失电的各种情况及其原因。下面将对电动机定子可能出现的异常失电情况进行分析。

1 电动机定子异常失电情况分析

电动机正常失电是指根据操作指令控制接触器或调速装置，让电动机断电停止运行。而异常失电则是操作指令需要电动机运行，而电动机却断电无法运行的情况。虽然起重机各机构均有电动机且导致电动机异常失电的情况很多，如停电等。但是由于起升机构属位能性负载的特殊性，以及正反向接触器和调速装置是直接控制起升电动机的运行。所以法规、标准要求的定子异常失电仅指起重机起升机构正反向接触器和调速装置出现问题所导致的情况。下面按照调速方式的不同，分为接触器故障和调速装置故障两大类分别介绍。

1.1 接触器故障

如图1所示，接触器主要由触点系统、电磁系统、灭弧装置和其它部件组成。图2是接触器产生故障的鱼刺图，其主要部件出现问题均能导致接触器故障。

图1 接触器结构示意图

图2 接触器常见故障原因图

下面列举几种常见的情况：

●1.1.1 触点熔焊

通过电器触点的电流超过触点本身的额定电流，或由于电器老化，触点之间电阻增大致使触点发热直至熔合粘连叫触点熔焊。初期较轻的触点粘连不影响接触器的正常工作，但是此时触点表面已经不平整，很容易造成进一步的触点熔焊，使接触器触点不能正常分断。

造成触点熔焊的原因很多。接触器的触点是银合金，好的触点银含量在80%以上。当触点表面的银合金触点由于触点磨损烧蚀殆尽，铜触点座就会粘连。如果接触器的容量选择的稍小，则很容易在持续的大电流作用下使触点熔化，造成粘接。操作频率过高或超负荷使用也会导致触点融合，此种情况可以通过线路的过载保护功能来避免。此外触点压力太小，会造成触点接触电阻增大，引起触点严重发热也会导致触点熔焊发生。

正反向接触器触点熔焊有可能会导致起重机误动作及设备损坏（如相间短路），不过起重机的紧急停止功能、短路保护、过载保护等功能可以避免一些严重后果的发生，所以一般不会造成定子异常失电。

●1.1.2 触点烧损

接触器触点烧损是比触点熔焊更严重的故障，可能将整个触点烧掉或有爆炸状银粒飞溅。

触点烧损的原因和触点熔焊的原因类似，可能是接触器本身质量问题或是选型不当以及操作频繁等原因。还有一种情况需要注意的是缺相，缺相可能是线路问题或是由于起动电流过大造成某相触点首先烧损而缺相，最后因为缺相造成电流更大将其他触点烧掉，或者将电动机烧掉。缺相可以通过缺相保护器来保护，但是目前大多数起重机只在总电源进线端装有错相和缺相保护器，其保护范围只限于总电源端，无法覆盖起升机构。

触点烧损能导致接触器无法正常工作，甚至导致电动机接线柱或电动机烧坏，而目前现有的起重机保护能力较低，是设计定子异常失电保护功能时需要着重考虑的。

●1.1.3 触点接触不良

接触器因长期使用，触点表面不干净、锈蚀、变形、磨损、由于电弧烧蚀造成凹凸、氧化、毛刺、以及机械卡阻等缺陷，反映到工作中变现为触点接触不牢、有间隙、接触面积下降、电阻变大、触点温度过高，更加严重的时候可导致接触器不导通。

触点接触不良是长期使用的接触器中常见的故障之一，特别是那些在恶劣环境中使用却得不到良好维保的起重机。

●1.1.4 线圈故障

线圈故障现象很多，常见的有线圈引出线的连接处脱落、线圈烧毁或断线等，较多发生的是线圈烧毁。其原因有电压过高或过低、选型错误、铁芯油污、机械卡阻、吸合磁隙过大等，环境方面的因素如通风不良、过分潮湿、环境温度过高等，都会引起这种故障。

线圈是接触器的动力源泉，其质量的好坏直接影响到接触器工作的可靠性，而线圈的常见故障比较隐蔽，对接触器危害性更大，可直接导致正反向接触器失效。对于电压过高或过低导致的线圈烧毁，可通过起升动力回路中的断路器提供的过压/欠压保护功能进行预防。其它原因导致接触器因线圈故障而不能正常工作时，因其对应的制动器控制回路中辅助触点也不能动作（回到初始断开状态），制动器因此会断电抱闸。但极端情况时如果辅助触点粘连、卡阻导致辅助触点不能断开，则制动器可能无法正常抱闸。

1.2 调速装置故障

起重机中常见的调速装置包括直流调速装置、定子调压调速装置和变频器等。直流调速装置目前使用量很少，这里只介绍变频器和定子调压调速装置。

●1.2.1 变频器

变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电动机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。如图3所示，变频器主要由整流器 （交流变直流）、滤波、逆变器（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元、CPU处理单元等组成。

图3 通用变频器结构示意图

图4通过故障树形式列举了变频器的常见故障及原因。可见引起变频器故障的原因很多，包括了自身软硬件问题以及外部回路。例如常见的变频器“溜钩”现象就属于软件设定问题。不过通过图3也可以发现，变频器通过对多项参数的检测，能够发现大多数的故障，及时输出报警信号。特别是电动机转速和电流检测反馈功能，可发现电动机定子异常失电的情况。

图4 变频器故障解析

●1.2.2 定子调压调速装置

定子调压调速装置的结构（图5）与变频器类似，因此变频器的常见故障在定子调压调速装置上也有类似情况。同时定子调压调速装置也配备了故障自诊断能力。定子调压调速装置功率元件选用了晶闸管，而晶闸管的可靠性略低于变频器使用的IGBT等新型功率晶体管，这是其经常发生故障的原因之一。定子调压调速装置是直接控制制动器的，相比于变频器是个不小的安全隐患，在设计定子异常失电保护功能时需特别考虑装置因爆炸等极端情况下能否保证制动器正常动作。另外，早期的定子调压调速装置中晶闸管单元只能实现调速（只有三组模块，换向需五组模块），仍然保留了正反向接触器用于电动机换向，而且定子调压调速装置需要通过分级切换转子的串接电阻来实现扩大调速范围。因此设计实现定子异常失电保护功能时还需要考虑接触器故障的因素。

图5 定子调压调速装置结构示意图

2 典型案例

1）2007年铁岭清河特钢“4．18”钢水包倾覆特别重大事故，导致32人死亡，6人重伤，直接经济损失866．2万元。如图6所示，事故的直接原因就是下降3档过渡4档时，下降接触器FC控制回路中的一个互锁常闭辅助触点ZC锈蚀断开，下降接触器FC不能被接通，致使驱动电动机失电；由于电气系统设计缺陷（制动器接触器ZDC自锁），制动器未能自动抱闸，导致钢水包失控下坠。

图6 起升机构正反向接触器电路原理图

2）一台桥式起重机的定子调压装置多次快速烧熔，而且晶闸管单元输出经常为两相，偶尔为一相。故障主要原因是由于触发脉冲错误或误触发，造成调压装置中一相晶闸管还没来得及关断，而另一相已导通，导致参与换相的两相短路。

3）2007年8月，某钢厂一台从事重轨装坑作业的起重机主起升机构突然出现不升不降的情况。经检查故障的原因是起重机工作环境恶劣，环境温度达70℃，而电气室无有效降温措施，导致温度超过定子调压调速装置设计工作温度，造成绝缘能力下降，晶闸管内阻过低趋于击穿，晶闸管不能可靠的导通或关断。此外输出控制板损坏也是原因之一。

3 结束语

起重机起升机构是位能性负载，一旦电动机失电而制动器没抱闸的情况发生时吊重就会在重力的作用下坠落导致事故，正反向接触器和调速装置做为控制电动机运行的直接器件，失效往往会直接导致电动机定子失电，从本文的分析可以看出正反向接触器和调速装置均有失效的风险，特别是正反向接触器的失效风险较大，所带来的后果也是极为严重的。因此在设计环节设置定子异常失电保护功能，尤其是吊运熔融金属等易发生重大危险的起重机是十分必要的；而进行起升机构电动机定子异常失电的原因分析，则是保证设计质量和保护功能有效的前提条件。

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Reason Analysis of Abnormal Power Failure of Hoisting Mechanism Motor Stator

Chen Xu Li Xiangdong
（Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute of Jiangsu Province Nanjing 210036）

In this paper, a preliminary analysis and discussion on the abnormal power failure of the motor stator in the hoisting mechanism is carried out, which lays the foundation for the design of the motor stator abnormal power failure protection function.

Hoisting mechanism motor Motor stator abnormal power failure Cause analysis Contactor Speed adjusting device

X941

B

1673-257X（2017）03-0075-04

10．3969/j．issn．1673-257X．2017．03．015

陈序(1984～)，男，本科，工程师，从事起重机械检验检测工作。

2016-08-10）