吊斗鏟提升、回拉電機原理

王棟

摘 要：吊斗鏟是由比塞洛斯國際公司生產的世界一流礦山挖掘設備，它采用了無齒輪傳動和邁步式行走。設備的總重量大約為500噸，大臂長度為109.7米，工作半徑大約110米，挖掘深度和卸料高度分別是71米和45米。每次運貨可達90M3，如此的稱重量，必須具備很大功率的拖動系統。所以吊斗鏟使用了兩臺功率很大的同步電機作為拖動系統。

關鍵詞：吊斗鏟 同步電動機

吊斗鏟設備的鏟斗每次運貨可達90M3，它使用了兩臺功率很大的同步電動機作為拖動系統，這兩臺電動機分別用作提升和回拉，我們通常稱為提升電機和回拉電機。

一、提升和回拉電機的結構。

提升和回拉電機的全部是同西門子制造的，它是一個相當大的電動機，長、寬、高分別可達到7.5米、2米、4米。如此龐大的電機，結構上和普通電機一樣，主要由定子和轉子組成。

1、定子。

電機定子是同低損耗的電機硅鋼片組成，大部分厚度為0.5mm，具有良好的彎曲性。鐵芯由層狀排列的窗形沖片組成，或由交疊排列的疊片組成。電機定子有324槽，共有9套繞組。

2、轉子。

電機轉子有36個磁極組成。在轉子繞組通入直流電，產生固定的磁極。

3、鼓風機和傳感器。

如此龐大的設備，散熱是不可少的，共用了8臺15KW的鼓風機散熱。除了散熱，保護也是不可少的，在電機的空氣的入口和空氣的出口分別安裝了溫度傳感器，保證了進出氣溫度。定子繞組的熱防護通過植入定子繞組中的電阻式溫度計監測，以便防止繞組過熱。

二、提升和回拉電機的工作原理。

1、工作原理。

同步電動機的運行，也可以理解為是由于經定子電流產生的旋轉磁場和轉子磁極間的吸力所至，N、S表示交變電流在定子繞組中所產生的旋轉磁場，當轉子以同步的速率轉動時，這些定子旋轉磁場的磁極和轉子上異性磁極N、S間的吸力，可以使轉子被定子旋轉磁場拖帶著保持同步的轉速而旋轉。

提升和回拉同步電動機具有9套定子對稱的三相繞組，額定電壓為9×1100V。它的轉子則是由與定子繞組有相同極數的固定極性磁極組成，該固定極性磁極是由接入磁極勵磁繞組中的直流電流所產生的，提升和回拉電機是一臺三相36極的同步電動機。當該電機定子上的對稱三相繞組流過對稱三相電流時，就會在電動機的氣隙中產生一個與轉子同極數的旋轉磁場，旋轉磁場的磁極將根據異磁極相吸的原理吸引轉子磁極以相同的同步轉速旋轉。

2、提升和回拉電機的啟動。

由于同步電動機的平均轉矩為零，也就是說同步電動機它本身不具有啟動轉矩。所以不能自行啟動，必須借助其它啟動方法。同步電動機常用的啟動方法有輔助電動機啟動、異步啟動法和變頻啟動法。吊斗鏟的提升和回拉電機就采用了變頻啟動法。

變頻啟動法是在啟動前將轉子加入直流電，利用變頻電源使頻率從零緩慢升高，旋轉磁場牽引轉子緩慢同步加速。

3、提升和回拉電機的調速。

提升和回拉電機的調速采用了變頻調速。調速使用的是恒轉速和恒功率。

恒轉速是轉速不變的情況下，提高電機的功率從而增大電機的轉矩。恒轉速在每分鐘14轉，頻率為4.2HZ下進行的，它的功率可以從7768KW增加到12429KW。

恒功率是功率不變的情況下改變電機的轉速，當轉速提升時，它的轉矩變小。恒轉矩是在電機功率12429KW理進行的，它的轉速可從第分鐘14轉上升到每分鐘35轉，頻率從4.2HZ到10.5HZ。

由此可見，電機運行在每分鐘14轉時，功率為12429KW是時。電機的轉矩最大。

三、提升和回拉電機的機械特性。

在0<θ≤90°范圍內，同步電動機原運行在A點，對應的功角為θ1，T=TL。現電動機所帶負載出現擾動，假設負載增大到TLˊ，這時轉子減速使功角增大至θ2，產生新的電磁轉矩Tˊ與負載轉矩平衡，即Tˊ=TLˊ，使電動機繼續同步運行。同理，如果負載擾動消失，電動機要加速使功角恢復至θ1，所以電動機能穩定運行。

在90°<θ≤180°范圍內，同步電動機運行在B點，對應的功角為θ3，T=TL，現電動機出現擾動，假設負載增大到TLˊ，這時轉子減速使功角增大至θ4，此時對應的轉矩為T"，T"

勵磁調節，由于同步電動機是雙邊勵磁機，通過調節勵磁電流來調節同步電動機的無功電流和功率因數，從而提高電網的功率因數。

1、當正常勵磁時If，對應的感應電勢為E0，電樞相電流I1和定子相電壓U1同相位，電動機的功率因數cosф=1，無功功率為零，說明電動機只消耗有功功率，不消耗無功功率，電動機對電網呈純電阻性。

2、當減小勵磁電流為If′（If′

3、當增大勵磁電流為If″（If′>If），對應的感應電勢為E0″，電樞相電流I1″超前定子相電壓U1φ″相位角，電動機的功率因數cosф>1，這時電動機除從電網吸收有功功率，同時也從電網吸收超前的無功功率，電動機對電網呈容性負載，這種勵磁方式稱為過勵，這種運行方式能提高電網的功率因數。

四、提升和回拉電機的機的優點。

1、可以在功率因數超前的情況下運行，對提高企業用電的功率因數有相當大的作用。

2、同步電動機的轉矩受電網電壓波動的影響比異步電動機小；因為同步電動機的轉矩與電網電壓u的一次方成正比，而異步電動機的轉矩則與電網電壓u的二次方成正比；這在電壓波動比較大，電壓偏低的地區更顯示出它的優點。

3、可采用極數較多的轉速較慢的同步電動機直接和設備連接，而不需要減速機。如吊斗鏟的提升和回拉電機就直接和滾筒連接，這樣的同步機，使設備組合簡單、維修工作量小。所以稱之為無齒輪傳動。

五、提升和回拉電機的維護。

1、電機在使用過程中必須定期檢查周圍的環境并保持清潔。

2、定期檢查集電環和碳刷裝置。

（1）必須保持集電環的光滑和圓度，在不影響電機正常運行的情況下，允許徑向擺度不超過0.1mm，軸向擺度不超過2.0mm。

（2）為使集電環磨損均勻，應根據現場情況決定更換極性的時間。

（3）為避免碳刷磨成凸緣，碳刷應放置在集電環的中部，不應偏移到集電環的邊緣。

（4）定期檢查碳刷的磨損、受力情況和刷盒與集電環之間的距離（一般在3～5mm），發現問題及時糾正。

3、電機的氣隙應定期進行檢查。

4、應定期檢查所有的緊固件是否松動。

參考文獻 ：

[1]陸培慶，電機實用技術，上海科學技術出版社，1994

[2]西門子培訓手冊，2009