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無刷自控電機(jī)軟起動器
摘要：本文先簡要介紹常用繞線式電機(jī)及起動裝置存在問題后,，介紹無刷自控電機(jī)軟起動器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn),、主要性能、創(chuàng)新性,、*性,、技術(shù)成熟程度及典型應(yīng)用效果和存在的主要問題。
關(guān)鍵詞：軟起動器 起動電流 起動轉(zhuǎn)矩 起動比 無刷自控 繞線電機(jī)
1 背景
鼠籠式三相異步電動機(jī)直接起動,，起動電流達(dá)到電機(jī)額定電流的5-8倍,，起動轉(zhuǎn)矩只有電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.6-1.2倍(隨著電機(jī)容量的增大,起動轉(zhuǎn)矩越來越小),，電機(jī)的起動比小于0.2。如采用降壓起動,，不但起動設(shè)備復(fù)雜,，成本高，還由于起動轉(zhuǎn)矩與起動電流的平方成正比,，電機(jī)的起動比成正比地減少,因此, 鼠籠式三相異步電動機(jī)+起動裝置,只能用在起動轉(zhuǎn)矩小的風(fēng)機(jī),、水泵等電機(jī)上，而不能用在球磨機(jī),、破碎機(jī),、軋鋼機(jī)等設(shè)備中。
三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機(jī)因轉(zhuǎn)子可外接電阻,、頻敏變阻器和反電勢,。它不但能限制電機(jī)的起動電流，還能增加電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和起動時的功率因素,，使電機(jī)起動比接近1（轉(zhuǎn)子串電阻和反電勢時,，起動比接近1，串頻敏變阻器時,，起動比zui高可以達(dá)到0.55）,。因此，三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機(jī)在大容量,、大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用,。但三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機(jī)因需將轉(zhuǎn)子電流通過電刷、滑環(huán),、電纜等引到地面且常用起動設(shè)備存在以下不足：
A,、頻敏變阻起動柜：它是將繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子回路通過滑環(huán)、碳刷引入地面的頻敏變阻起動柜內(nèi),，在電機(jī)起動時,，串入頻敏變阻器，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加,，轉(zhuǎn)子電流頻率的降低,，頻敏變阻器阻抗逐步減少，達(dá)到連續(xù)限制電機(jī)起動電流的目的,。電機(jī)起動結(jié)束后,、還需通過接觸器或短路環(huán)將頻敏變阻短接（部分中小型電機(jī)在轉(zhuǎn)子上裝有短路環(huán)）。串頻敏變阻器起動,，由于頻敏變阻器實(shí)際上是一個電感元件,，它降低了電機(jī)的功率因數(shù)，電機(jī)的起動比小于0.55。因此,，它一般用在對起動轉(zhuǎn)矩要求不太高的風(fēng)機(jī),、水泵、空壓機(jī)和球磨機(jī)電機(jī)上,。它的變形產(chǎn)品：無刷無環(huán)起動器是將頻敏變阻器直接安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上,，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無刷運(yùn)行。無刷無環(huán)起動器存在：（1）起動電流一經(jīng)出廠,，就無法調(diào)整,。（2）重量是無刷自控電機(jī)軟起動器的2倍以上，且起動器zui大功率無法越過500KW,。（3）電機(jī)正常運(yùn)行時,，頻敏變阻器不短接，會產(chǎn)生一定的功率消耗,，降低了拖動系統(tǒng)的效率,。
B、繞線式異步電機(jī)串電阻多級起動柜,，它也是將電機(jī)轉(zhuǎn)子電流引入起動柜內(nèi),，通過時間、電流或凸輪控制器改變電阻的大小,，達(dá)到增加電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩,、減少起動電流的目的。它的zui大優(yōu)點(diǎn)是：由于串入轉(zhuǎn)子回路是純電阻,，功率因數(shù)高,，起動比接近1。但起動控制裝置復(fù)雜,，且起動過程中需頻繁切換起動電阻,，造成多次沖擊電流，因此,，它只用在對起動轉(zhuǎn)矩要求特高的起重機(jī),，軋鋼機(jī)等設(shè)備上。它的變型產(chǎn)品是：繞線式異步電動機(jī)液態(tài)電阻起動柜,，它是將液體電阻串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路,，通過伺服電機(jī)改變極板的距離，從而改變液體電阻的大小,，達(dá)到無級連續(xù)調(diào)整電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩和起動電流的目的。它與凸輪控制器改變電阻相比,，zui大的優(yōu)點(diǎn)是：1）無級連續(xù)調(diào)整電機(jī)電流,，2）可以通過改變電解液的濃度，方便地改變起動電阻的大小，達(dá)到改變起動電機(jī)電流的目的,；缺點(diǎn)是：1）常見的繞線式異步電動機(jī)液態(tài)電阻起動柜,，沒有考慮液體電阻對極板及其傳動設(shè)備的腐蝕作用；2）沒有考慮裝置的密封和防爆,、沒有考慮環(huán)境溫度對起動裝置的影響,，造成壽命低；3）電機(jī)起動過程*由伺服電機(jī)控制,，不能自動適應(yīng)電機(jī)的起動過程,；4）應(yīng)用范圍小，不能安裝在有振動的地方（如行車上）和北方的室外,；5）體積大,、運(yùn)行維護(hù)工作量大、造價高等缺點(diǎn),。
柜式起動設(shè)備均需將轉(zhuǎn)子電流通過電刷,、滑環(huán)、電纜等引到地面控制柜,，電刷與滑環(huán)間磨下的碳粉會導(dǎo)致電機(jī)絕緣的降低,，引發(fā)電動機(jī)故障?；h(huán),、電刷壓力彈簧銹蝕，引起電刷與滑環(huán)間打火,。因?qū)﹄姍C(jī)保養(yǎng)提出了更高的要求,。同時電機(jī)起動過程人為給定，不能適應(yīng)不同負(fù)載,；起動裝置元器件多,、二次回路復(fù)雜、故障率高,、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)要求高,、拖動系統(tǒng)綜合價格高是它們共同的另一個通病。
2 技術(shù)原理
無刷自控電機(jī)軟起動器是結(jié)合了無刷無環(huán)起動器和液態(tài)電阻起動柜的優(yōu)點(diǎn)且克服它們的不足而設(shè)計的,。它的控制原理與繞線電機(jī)液態(tài)電阻起動柜相當(dāng),，所不同的是，將起動電阻直接安裝在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力作為動力,，控制起動電阻的大小，達(dá)到減少電機(jī)起動電流,、增加起動轉(zhuǎn)矩,，使繞線式異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷自控運(yùn)行的裝置。它主要由機(jī)殼、電解液,、動極板,、施密特接觸裝置、彈簧,、接線柱,、安全閥、排氣閥等構(gòu)成,。它的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,，當(dāng)電機(jī)起動時，一方面,，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高,，動極板在離心力的作用下，逐步靠近機(jī)殼,，串入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻成比例地減少,，并在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，與外殼短接,，電阻降為零,；另一方面，動極板與機(jī)殼間的水電阻,，因通過電流而發(fā)熱,，在水電阻負(fù)溫度特性的作用下，電阻也會逐步減少,。在電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度兩方面的作用下,，使電動機(jī)以近似于恒定電流、恒定轉(zhuǎn)矩起動,。
控制原理如圖2所示,，起動器出廠后，用戶可以通過改變電解液的濃度,，改變起始電阻的大小,，以達(dá)到方便無級調(diào)整電機(jī)的起始（堵轉(zhuǎn)）電流，滿足不同負(fù)荷對起始電流的要求,。
為保證水電阻能在電機(jī)轉(zhuǎn)子上長期免維護(hù)運(yùn)行,，在整體設(shè)計上應(yīng)用了以下技術(shù)：
A. 選用具有下述特性的電解液為水電阻：A、對金屬（銅和鋼）具有防銹作用,；B,、通過大電流后，不發(fā)生電解液變質(zhì),、極板腐蝕,、產(chǎn)生氣體的化學(xué)反應(yīng),；C、電解液的冰點(diǎn)為-25℃,，沸點(diǎn)為120℃，以滿足不同環(huán)境下安全工作的要求,。
B. 起動器采用金屬全密封結(jié)構(gòu),，盡可能減少密封面數(shù)量。
C. 設(shè)置安全排氣閥,，在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后,，自動打開排氣閥，保證正常運(yùn)行時,，起動器內(nèi)部的壓力與大氣壓一致,；同時，為避免因電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn),，電解液燒開,、起動器內(nèi)部壓力升高，設(shè)置了安全閥,，保證電機(jī)及起動器的安全,。
D. 為防止極板在額定轉(zhuǎn)速附近，處于斷續(xù)接觸狀態(tài),，同時,，為增加觸頭接觸應(yīng)力，減少接觸電阻,，設(shè)置了施密特接觸裝置,，提高短接觸頭使用壽命和電機(jī)正常運(yùn)行時的損耗和起動器的發(fā)熱量。
3 性能指標(biāo)
實(shí)現(xiàn)了繞線式異步電動機(jī)無刷自控運(yùn)行,，避免了繞線式異步電機(jī)因存在滑環(huán),、碳刷，造成運(yùn)行維護(hù)工作量大,、故障率高的缺點(diǎn),，達(dá)到了以下效果：
a) 能以起動比為1的方式起動電動機(jī)。避免了鼠籠式異步電動機(jī)直接起動,，起動比小于0.2,。安裝液態(tài)電阻（熱變電阻）、磁控電抗器,、固態(tài)（晶閘管）軟起動設(shè)備,，起動轉(zhuǎn)矩與起動電流的平方成正比，當(dāng)電流降低50%時,，起動轉(zhuǎn)矩降低75%的影響,，起動比小于0.1這一缺點(diǎn),。
b) 出廠后，用戶可以通過改變電解液的濃度,，改變起始電阻的大小,，以達(dá)到調(diào)整電機(jī)的起始（堵轉(zhuǎn)）電流，滿足不同負(fù)荷對起始電流和起動轉(zhuǎn)矩的要求,，避免了傳統(tǒng)起動裝置起動電流不能無級調(diào)整這一缺點(diǎn),。
c) 起動過程是電機(jī)根據(jù)本身的轉(zhuǎn)速自動完成，無需人去干涉,。其它起動裝置一般靠時間繼電器,、電流繼電器等間接控制；電機(jī)起動結(jié)束后,，還要靠人去將起動裝置退出運(yùn)行（特別是高壓電機(jī)）,，如退出時機(jī)不對，會威脅電機(jī),、機(jī)械,、供電和起動設(shè)備的安全運(yùn)行。
d) 當(dāng)電網(wǎng)電壓較低或負(fù)載較重,，造成電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不足時,，水電阻的溫度會因通過電流而升高，電阻自動降低,，從而逐步提高電機(jī)電流,，增加電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩，確保電機(jī)一次起動成功,。
e) 使電機(jī)的起動電流限制在額定電流附近,，避免過大的起動電流對電機(jī)和供電設(shè)備造成的各種危害。
f) 如電機(jī)出現(xiàn)長期堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象,，電機(jī)會自動加熱電解液,。由于消耗在電解液上的有功功率遠(yuǎn)大于消耗在電機(jī)繞組上的有功功率，電解液會很快燒開,，當(dāng)電解液燒干后,，電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有通電回路，相當(dāng)于起動電阻變成無窮大,，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流會自動降為零,，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。
g) 電機(jī)運(yùn)行過程中,，遇到突加負(fù)載（如軋鋼機(jī)在軋鋼過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)）,，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，起動電阻會自動串入轉(zhuǎn)子回路,，達(dá)到增加轉(zhuǎn)矩,，減少電流,，保護(hù)電機(jī)安全的目的。
h) 一臺1400KW電機(jī)的市場售價僅2萬元,。而相同容量的常規(guī)軟起動裝置需10萬元以上,，一臺1400KW電機(jī)外形僅是一個Φ600×320的圓柱體，并直接安裝在電機(jī)上,。而相同容量的高壓鼠籠式異步電動機(jī)液態(tài)電阻（熱變電阻）起動裝置外形尺寸為(1700+1200)×1200×2800,，需進(jìn)行基建投資。
i) 電機(jī)和起動裝置合為一體變成了無刷自控電機(jī),。對用戶來說，它就是一臺具有優(yōu)良起動性能（不用配置起動控制柜及相應(yīng)電力電纜,、控制電纜,，不用考慮起動設(shè)備安裝調(diào)試，就能使電機(jī)以起動比為1起動）的“鼠籠式異步電動機(jī)”,。起動設(shè)備安裝完成后,，對起動裝置無需進(jìn)行任何操作和維護(hù)。
4 技術(shù)的創(chuàng)新性與*性
本技術(shù)主要創(chuàng)新點(diǎn)及*性是在國內(nèi)采用了：
A． 將起動電阻直接安裝在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上,，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力作為動力,，控制起動電阻的大小，達(dá)到減少電機(jī)起動電流,、增加起動轉(zhuǎn)矩,，使繞線式異步電動機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷自控運(yùn)行。
B． 選用具有下述特性的電解液為水電阻：A,、對金屬（銅和鋼）具有防銹作用,；B、通過大電流后,，不發(fā)生電解液變質(zhì),、極板腐蝕、產(chǎn)生氣體的化學(xué)反應(yīng),；C,、電解液的冰點(diǎn)為-25℃，沸點(diǎn)為120℃,，以滿足不同環(huán)境下安全工作和提高使用壽命的要求,。
C． 設(shè)置安全排氣閥，在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后,，自動打開排氣閥,，保證正常運(yùn)行時，起動器內(nèi)部的壓力與大氣壓一致,；同時,，為避免因電機(jī)長時間堵轉(zhuǎn),，電解液燒開、起動器內(nèi)部壓力升高,，設(shè)置了安全閥,，保證電機(jī)及起動器的安全可靠運(yùn)行。
5 技術(shù)的成熟程度,，適用范圍和安全性
是在“無刷自控繞線式異步電動機(jī)”（號：012774022）實(shí)用新型的基礎(chǔ)上,，同溫州市曙光起動設(shè)備有限公司共同開發(fā)研究成功，并獲得了名為“”的實(shí)用新型（號：032197888）,。分別于2002年12月和2004年3月兩次通過江西省電機(jī)產(chǎn)品檢測站性能檢測,，全部指標(biāo)均滿足《WZR》（Q/SG001-2003）企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。被列入浙江省2004年*批省級新產(chǎn)品試制計劃（浙江發(fā)計［2004］140號,，項(xiàng)目編號：2004D60SA390030）,，于2004年12月通過省級新產(chǎn)品鑒定（浙科鑒字［2004］第130號），該鑒定委員會認(rèn)為,，在繞線式異步電機(jī)起動方面,，處于國內(nèi)水平。現(xiàn)該產(chǎn)品已投入批量生產(chǎn),。
可廣泛應(yīng)用于冶金,、機(jī)械、化工,、礦山,、建材等所有工業(yè)領(lǐng)域的球磨機(jī)、破碎機(jī),、風(fēng)機(jī),、水泵、打漿機(jī)等電機(jī)傳動設(shè)備中繞線式異步電動機(jī)的起動,，它是頻敏變阻器起動裝置的理想替代品,。
由于采用了雙重安全排氣閥，且安全排氣閥zui高動作壓力小于0.2MP,，起動器外殼承受壓力大于2MP,；電解液的成分與汽車用防凍液相當(dāng)，保證了本裝置安全可靠運(yùn)行,。同時,，如電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機(jī)會自動加熱電解液,。由于消耗在電解液上的有功功率遠(yuǎn)大于消耗在電機(jī)繞組上的有功功率,，電解液會快速燒開，當(dāng)電解液燒干后,，電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有電流通路,，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流會自動降為零,，達(dá)到保護(hù)電機(jī)的目的。
6 應(yīng)用情況及存在問題
自2003年3月投放市場,，就以簡單的結(jié)構(gòu),、優(yōu)良的起動性能、運(yùn)行維護(hù)工作量少,、自動適應(yīng)不同的負(fù)載和電源電壓波動,、保護(hù)電機(jī)、使用壽命長和價格僅為同類起動裝置的30%左右等特點(diǎn)產(chǎn)品,，受到了用戶廣泛的好評,，創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品在兩年的時間內(nèi),，就銷遍了中國大陸除西藏外的所有省,、市主自治區(qū)，年產(chǎn)值達(dá)到300萬元,。下面是一些典型應(yīng)用實(shí)例：
天津市靜海水利局排灌中心站，有數(shù)十臺水泵電機(jī),，原均使用頻敏變阻器起動柜起動電機(jī),，由于它必須使用碳刷、滑環(huán),、起動控制柜等裝置,，故障率高。該公司為提高排水裝置的可靠性,，決定全部采用“”,，使起動電流由電機(jī)額定電流的4倍降為額定電流的兩倍，滿足了該公司對起動裝置的要求,。
湖南柿竹園有色金屬有限責(zé)任公司,，有兩臺380V，280KW球磨機(jī)電動機(jī),，原均使用頻敏變阻器起動柜起動電機(jī),，電機(jī)起動時，起動電流達(dá)到電機(jī)額定電流的4倍以上,，單臺電機(jī)起動時的電壓降達(dá)到電源額定電壓的10%以上,。同時，由于該公司離電源中心較遠(yuǎn),，電源電壓較低,，經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)起動失敗現(xiàn)象，嚴(yán)重時,，出現(xiàn)起動裝置損壞,。采用“”后,，電機(jī)的起動電流降到電機(jī)額定電流的2倍左右，電機(jī)起動壓降降為額定電壓的6%,，并且從未出現(xiàn)電機(jī)起動失敗現(xiàn)象,，減少了電機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作量和故障率，受到了現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員的喜愛,。
北京首鋼水廠鐵礦3000米礦石輸送帶上,，8臺6KV、480KW輸送帶電機(jī),，已全部更換成,。由于效果明顯，該公司2004年第十二期《礦山機(jī)械》雜志上,，發(fā)表了《無刷起動器在繞線式異步電動機(jī)上應(yīng)用》的學(xué)術(shù)論文,，受到了讀者的廣泛歡迎。
海螺集團(tuán)寧國水泥水的球磨電機(jī)起動裝置,，已全部更換成,。由于可靠性高，運(yùn)行維護(hù)工作量小,，不但降低了電機(jī)運(yùn)行維護(hù)成本,，同時增加了水泥廠的產(chǎn)量，引起了海螺集團(tuán)公司的高度重視,，該公司下文,，要求各下屬水泥廠對現(xiàn)運(yùn)行的球磨電機(jī)起動裝置進(jìn)行無刷自控運(yùn)行改造。
存在的主要問題是：
但受起動器散熱條件及體積的限制,，只適合于起動頻度每小時不超過六次,，連續(xù)起動不超過三次，功率范圍為30—2000kW的繞線式異步電動機(jī),。如產(chǎn)品不能應(yīng)用于起停（正反轉(zhuǎn)）特頻繁的起重機(jī)類負(fù)載上,。
由于采用了水電阻，電機(jī)正常運(yùn)行時,，每兩到三年左右需更換一次水電阻,，還不能達(dá)到使電機(jī)起動裝置*免維護(hù)運(yùn)行的目的。
注1：起動比為起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)與起動電流倍數(shù)之比,，簡稱為起動比,。如鼠籠式異步電動機(jī)直接起動，起動電流為額定電流的6倍,，起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1.2倍,，那么，電機(jī)的起動比為0.2。
作者簡介
翟佑華：工程師,，中國石油化工裝備協(xié)會電氣專業(yè)委員會電氣專家委員,，已申請六項(xiàng)，發(fā)表論文十余篇,。