李殿柱
辽宁省安全科学研究院 辽宁 沈阳
摘要：本文对比相关条文中，对起重机定子异常失电保护功能的要求，分析几种常见的起重机起升机构电动机定子异常失电保护电路中分析了其实现的逻辑关系并对目前存在的不足提出了相应的改进建议
关键词：定子、失电保护、正反向接触器、融熔金属起重机
一、引言
2007年4月18日，辽宁铁岭清河特钢股份有限公司发生了一起钢水包倾覆事故，该事故的发生，给全国起重机从业人员敲响了警钟。经事故调查组认定，引起该事故的主要原因是起升机构的正反向接触器出现故障，造成起升电动机失电而制动器仍然得电松闸，使得钢水包坠落并倾覆。为此，国家检总局先后出台了一系列文件和规范，提出了相关的保护要求，以保证起重机械的安全运行。
二、相关条文要求对比
TSG Q0002-2008《起重机械安全技术监察规程—桥式起重机》、GB 6067.1-2010《起重机械安全规程-第一部分》、TSG Q7016-2016《起重机械安装改造重大修理监督检验规则》 和 TSG Q7015-2016《起重机械定期检验规则》中 要求设置正反向接触器故障保护或者电动机定子异常失电保护的对象是起升机构，而 GB/T 3811-2008《起重机械设计规范》将这一要求延伸至各起重机构，包括起升机构和有重力负载的变幅机构（如臂架变幅结构）。值得注意的是，部分门座起重机的变幅机构在变幅时有类似铁岭事故中制动器接触器自锁的设计，是不符合电动机定子异常失电保护要求的。
三、实现电动机定子异常失电保护功能的方法
3.1原有控制电路的缺陷
绕线式异步电动机可以通过转子滑环串接电阻，可以实现降压启动，同时也可以实现调功能，在目前的起重机起升机构中得到了广泛应用。采用控制屏控制的绕线式异步机动机起升机构，在下降过程上中通常设有电气制动，有的采用单相制动，有的采用反接制动，目前采用最多的也就是反接制动。如下图1（a）所示，下降1-3档时实际接通的是上升接触器ZC。在重载时由于负载力矩大于电动机的电磁转矩，下降运行时，电动机的电磁转矩是阻碍重物下降的。下降4-6档时接通的是下降接触器FC，用于轻载或强力下降。而在3档与4档切换的过渡阶段，即上升和下降两个正反向接触器转换时，为防止相间短路，在某一瞬间上升／下降接触器都不接通。此时制动器触器ZDC会失电自动下阐，导致冲击，俗称发生“抢阐”现象。为了防止“抢阐”，在制动器ZDC线圈中，给上升接触器ZC和下降接触器FC的触点上并联了一个制动器的常开触点形成“自锁”。正因为这个“自锁”埋下了事故的隐患，如果换挡过程中正反向接触器因故障不能正常工作，此时电动机就处于失电状态，而制动器又因“自锁”不能自动下闸，造成重物自由坠落。
.png)
3.2.改进的控制电路
1.针对上述问题，目前比较常见的保护功能实现方案是删除制动器的“自锁”，同时增加时间继电器用延时断开制动器的方式避免换挡带来的“抢闸”现象。如图1（b）所示，删除了原电路中用于自锁的触点，同时上升接触器ZC和下降接触器FC的常开触点不直接控制制动器线圈ZDC，而是控制断电延时继电器KT01，用KT01延时断开触点控制制动器线圈ZDC。这样在3挡与4挡切换的过渡阶段，短时间内用于上升和下降的正反向接触器触点断开时，利用时间继电器延时断开的特性，维持制动器的短时持续打开，避免抢闸；如果正反向接触器点无法闭合，那么时间继电器在过到设定的时间后，会断开制动器回路中的触点KT01，使制动器断电制动，从而实现定子异常失电保护。
应该指出的是，通过删除这个制动器自锁这个“电气系统设计缺陷”来实现定子异常失电的保护功能有限，离定子异常失电保护功能还有差距。比如：如果在时间继电器线圈回路中正反向接触器常开触点发生故障（如发生粘连），而此时正反向接触器也没有正常工作，那么制动器依然会保持打开状态，发生重物坠落事故。
2.采用凸轮控制器的控制电路
凸轮控制器是一种手动控制器，在起重机可以直接控制中小功率绕线异步电动机的起动、停止、换向和调速。如图2所示，凸轮控制器可直接实现电动机的换向，电路中没有正反向接触器，由于制动器直接的机并联，电动机通电时，制动器通电开闸；电动机失电时，制动器也断电下闸。虽然电路简单，但是可以满足电动机定子异常失电保护的要求。
.png)
3.定子调压调速控制电路
早期定子调压调速装置一般没有输出端的电流反馈检测，不能检测和电动机定子电流的相关故障。同时晶闸管单元只有三组模块，电动机换向需通过正反向接触器实现，因此 电动机定子异常失电保护功能的实现除了调整装置外，还要考虑正反向接触器的失效问题。
4.变频器控制电路
采用变频器调速的起升机构，主要依靠变频器自身集成的故障检测功能来实现，如图3所示，变频器通过采样电路取得的电压、电流、温度、转速等信号经处理后输入至保护电路。故障保护有欠压、缺相、过压、过流、过载、短路以及温度过高等保护。但应选用具有相应功能的起重机专用变频器。变频器的起升控制电路由PLC或继电器—接触器电路进行，避免了因装置本身失效而导致的制动器不能正常动作。
四、改进的建议
4.1制动器控制电路
制动器是实现定子异常失电保护功能的重要执行部件，其能否正常工作是整个功能实现的关键。如图4（a）所示，目前制动器动作电路大多由一个接触器控制，但是如果这个接触器本身发生故障（比如粘连），那么再多的保护也无法断电抱闸。针对这一问题，一种简单的方案是增加一个接触器，串联到制动器电路中，而两个接触器的线圈并联于控制回路中，实现同时工作并互为冗余备份。
4.2增加独立的检测装置
上述的几种起重机的起升机构的定子异常失电保护功能仍有不足，比如运行接触器与电动机间的线路故障（如线路断开、触点虚连），并不能真正实现保护功能，可以增加电流互感器等元器件，来检测通过电动机的电流，来实现电动机的定子异常失电保护功能。
.png)
五、结束语
通过上述分析可见，大部份调速装置因其相对完善的故障保护检测措施，基本能够满足标准要求。采用控制屏的控制电路，因其保护功能有限还需要进一步改进完善功能。另一方面起重机使用单位不能因为有了相关保护功能而忽略了日常的维护保养，这对于防止事故发生也是在非常重要的。
参考文献：
[1] GB/T 3811-2008 起重机设计规范 [S]. 中华人民共和国国家标准， 2008.
[2] TSG Q0002-2008 起重机械安全技术监察规程－桥式起重机[S]. 特种设备安全技术规范， 2008.
[3] GB 6067.1-2010 起重机械安全规程 第 1 部分： 总则 [S]. 中华人民共和国国家标准， 2010.
[4] TSG Q7016-2016 起重机械安装改造重大修理监督检验规则[S]. 特种设备安全技术规范， 2016.
[5] TSG Q7015-2016 起重机械定期检验规则 [S]. 特种设备安全技术规范， 2016.
[6] 陈序，李向东。起升机构电动机定子异常的原因分析.中国特种设备安全，2017.