龍門吊繞線式電動機控制研究

我們所知道的龍門吊是一種露天室外使用的大型起重機，它作為物料搬運系統中一種典型起重設備，在企業生產活動中應用廣泛作用十分顯著。就目前來說，龍門吊的拖動系統大多是采用繞線式交流異步電機來完成的，即在繞線式異步電動機的轉子回路內串入多段外接電阻調速，通過導線、凸輪控制器、繼電器、接觸器控制等一系列中間環節，來控制龍門吊的大車、小車、主鉤、副鉤的運行方向及其運行速度。

繞線式異步電動機的三相轉子繞組回路可外接變阻器、頻敏變阻器或反電勢，龍門吊上的各驅動電機一般都是外接變阻器，變阻器通過接入繞線式電動機的轉子繞組電路中。這樣，在電機剛剛啟動時，由于電機的轉子串入電阻，電機的轉子中的感應電流很大，電動機起動電流就很小，轉子電流與感應電動勢的相角也少，電流的有功分量增加，因此在一定范圍內能使起動轉矩增加。等電動機待轉速逐漸增高后，再通過凸輪控制器逐級逐一短接，一直到啟動完畢，甩除電阻。也就是說，連接在繞線式電動機的轉子上所有的電阻最后完全被短接掉。這樣的啟動大大降低轉子繞組的感應電流，從而降低定子繞組的電流，大大減少繞線式電動機啟動電流對電網的沖擊。但也例外，有些工作場所的繞線式電動機采用串接電阻的控制方法，其目的為達到一機多速。

繞線式電動機串電阻運行，在降低電機啟動電流的同時，同時增加了電機的起動轉矩，并使電機起動比接近1(轉子串電阻和反電勢時，起動比接近1)，它的原理就是改變轉子繞組的電阻，以改變異步電動機的轉差率，從而改變電動機的轉矩的。它的定子直接接在三相交流電源上，而轉子繞組一般串聯上一定阻值的可變電阻上。當電動機啟動時，可變電阻的阻值為最大值，在啟動完成后，通過調節該阻值，最終使得該阻值為零。因此，三相繞線式轉子交流異步電動機在大容量、啟動轉矩要求較高和轉速控制要求高的場合的機械設備中得到廣泛應用。龍門吊、卷揚機等重型設備上。但繞線式異步電動機相比鼠籠異步電動機，也有它的缺點，由于串接電阻，勢必有一部分能量消耗在啟動電阻上，同時功率因數也較低，此外繞線式電動機相比鼠籠電動機，其結構復雜，維修困難，成本較高。

繞線式電機是龍門吊主要拖動設備，露天作業的龍門吊日常的維護與維修，最常見的、也令維修人員最頭痛的問題是凸輪控制器的觸頭觸點經常損壞，其原因是由于電機的頻繁啟動造成凸輪控制器動觸頭連續通斷電，從而產生火花損壞凸輪控制器上的觸點。龍門吊大車行走、主鉤與副鉤提升與下降、小車的前后行使等等的控制轉換，都是通過凸輪控制器的轉向切換電源來換相與切換串聯阻值來實現的。以某一例原料場15t的龍門吊作為例子說明一下。這座龍門吊的提升與下降的主鉤電機是(JCRM2－250－8)型號的30千瓦的繞線式異步電動機，駕駛室內的主鉤凸輪控制器器的觸頭觸點的額定載荷是63安培，當電機起動時，電機定子電流大約值170安培左右，由于龍門吊主鉤的提升、下降一個周期運行在20秒以內，控制主鉤的繞線式電動機是三級串電阻降壓起動，龍門吊主鉤每完成一次起動大約需要21秒。這一系列的動作都是通過駕駛室里的凸輪控制器的切換來控制主鉤電機的電源換相、轉子阻值，從而控制龍門吊的主鉤的提升、下降，或者速度來實現的。也就是說電機在完成一次作業是運行在起動過程，凸輪控制器的觸頭觸點動作時的電流高達100多安培，因此凸輪控制器的觸頭接點在動作時，瞬間會產生一些電火花，時間一久，凸輪控制器的觸頭觸點就會產生麻點或者毛刺。產生的這些麻點或者毛刺更回使凸輪控制的觸頭觸點的接觸面減少，從而更容易產生更大的電火花，如此長時間的惡性循環下去，凸輪控制器的觸頭觸點電觸頭的使用壽命大大縮短，甚至不到一個星期就要更換一次凸輪控制的觸頭觸點。與此同時，由于繞線式異步電機起動頻繁，其發熱情況也比較嚴重，從而造成繞線式異步電機里的轉子和定子銅線繞組的絕緣老化加快，減少電機使用壽命，電機的返修率特別高。

因此為改善凸輪控制器的觸頭觸點與繞線式異步電動機的使用壽命，減少維修人員的維修工作量，節約成本，提高龍門吊的運行效率。我們應該從以下幾個個方面加以改造：一是將凸輪控制器重新組裝，在與控制主鉤提升與下降的動觸頭的相鄰位置并一對相同的觸頭，以增大其通斷能力。這項措施的改造實施，會大大增長觸頭的使用壽命(由原來的一周更換兩次延長到二個月更換一次)。二是在繞線式異步電動機的定子繞組前安裝一組電抗器，所安裝的這一組電抗器選用鐵磁式純電感，使電抗器的起動電流滯后電壓接近90度。電動機在起動的一瞬間，這一組電抗器同時會產生自感電動勢來阻止電流增大。這樣做有兩大作用：首先是電動機起動時，凸輪控制器的觸頭觸點接通的瞬間電壓較低，相應的起動電流也較小，從而保護了觸頭觸點的燒蝕；其次是可以削弱繞線式電動機起動時的電流的峰值(一般保持在額定電流的2.5倍，從而使電機的起動特性變緩)，即使繞線式電動機在起動過程中動作也不至于帶很大的電流。采用這項技術改造要解決的核心問題就是如何消除電抗器線圈產生的高次諧波對電動機轉矩的不良影響，由此對電抗器的制作要作如下處理：第一，采用厚鋼板做鐵芯，利用厚鋼板產生的短路環流，即渦流來削減回饋電流。第二，電磁線圈采用單根扁電線從頭繞到尾疊繞形成單只線圈，再由尾繞到頭疊繞，再形成另一只線圈，以此往復，形成由多個單只線圈密排，頭尾串聯的分電抗器線圈，然后直線式組裝在一字形鐵芯中，形成聚磁能量大，補償性能好的特點。這項措施的實施，使龍門吊的主鉤電機在起動瞬間的電流由原來的170多安培下降到138安培左右。從而使電觸頭的使用壽命又延長了近一個月。

龍門吊的繞線式電動機轉子串電阻是傳統的調速系統，雖然轉子串接電阻實現了調速功能(也是有級的)，但因為不能改變同步轉速，致使傳動系統機械特性很軟，從而使速度的穩定性和調速精度很差。隨著電子技術的飛快發展，變頻調速器開始逐步在龍門吊中使用，變頻器的性能、可靠性都有了很大的提高，為龍門吊的傳動系統中的應用提供了有利的條件。龍門吊使用變頻器能現了無級調速，控制方式更加簡單方便，對電機設備的使用壽命延長，控制啟動運行平滑，安全可靠，同時變頻調速在零速啟動時可按照加速時間與加速曲線進行平滑地進行加速，減輕了機械部分的震動，延長了機械部件和電機的壽命。