無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器

 摘 要：本文先從異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)裝置產(chǎn)生的原因和存在的問題出發(fā)，介紹無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)和代替其它電機(jī)起動(dòng)裝置的必然性.。
        關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器 起動(dòng)電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 無刷自控電機(jī) 鼠籠電機(jī) 繞線電機(jī)
        1  問題的提出
        1.1社會(huì)的發(fā)展
         隨著生產(chǎn)設(shè)備的大型化，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)等設(shè)備中的電動(dòng)機(jī)容量越來越大。交流電動(dòng)機(jī)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但是
        1、起動(dòng)電流是額定電流的5-7倍，對(duì)供電設(shè)備、電機(jī)及所拖動(dòng)的機(jī)械設(shè)備的造成極大的損害。
        2、起動(dòng)時(shí)因過大的起動(dòng)電流產(chǎn)生過大的電壓降，嚴(yán)重威脅著鄰近用電設(shè)備的安全運(yùn)行。
        3、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的0.4-1.2倍(電機(jī)容量越大,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍率越小),對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較大的負(fù)載（如球磨機(jī)、抽油機(jī)等）為了能正常起動(dòng)電機(jī),必須增加電機(jī)容量，造成電機(jī)大馬接小車。
        1.2 傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備存在的問題
        傳統(tǒng)的鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)設(shè)備（Y-△、串電阻、串電抗器、自耦變壓器等），屬有級(jí)降壓起動(dòng)，起動(dòng)控制過程靠時(shí)間繼電器等間接控制。起動(dòng)特性不理想、起動(dòng)過程變換時(shí)產(chǎn)生較大的沖擊電流、起動(dòng)控制設(shè)備復(fù)雜、成本高。同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，當(dāng)電流降低50%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低75%。
         繞線式異步電機(jī)串電阻多級(jí)起動(dòng)，能極大地增加電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、減少起動(dòng)電流，但復(fù)雜的起動(dòng)控制裝置，且起動(dòng)過程中需頻繁切換起動(dòng)電阻，造成多次沖擊電流。繞線式異步電機(jī)串頻敏變阻器起動(dòng)，頻敏變阻器仍屬電抗器,起動(dòng)電流仍達(dá)到電機(jī)額定電流的3-4倍，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍,電壓稍低時(shí)，起動(dòng)困難。同時(shí)，繞線式異步電機(jī)滑環(huán)、碳刷是造成電機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作量大、故障率高的根本原因。
        1.3 現(xiàn)代的軟起動(dòng)設(shè)備不能滿足用戶的需要
        高壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)液態(tài)電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態(tài)（晶閘管）軟起動(dòng)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)恒電流軟起動(dòng)電機(jī)（因電機(jī)起動(dòng)電流與時(shí)間的關(guān)系是非線性，僅靠時(shí)間根本無法實(shí)現(xiàn)恒電流軟起動(dòng)）。但裝置串聯(lián)在電機(jī)的定子回路，要承受高電壓。這使得起動(dòng)裝置體積較大、價(jià)格高、運(yùn)行維護(hù)工作量大。同時(shí)，它仍受起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，當(dāng)電流降低50%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低75%的影響，起動(dòng)電流必須大于電機(jī)額定電流3倍以上，才能起動(dòng)輕載電機(jī)（對(duì)重載電機(jī)如球磨機(jī)，該起動(dòng)方式無效）。
        繞線式異步電機(jī)液態(tài)電阻軟起動(dòng)設(shè)備，靠伺服電機(jī)改變水電阻極板距離。距離改變的速度需預(yù)先設(shè)置，無法自動(dòng)跟蹤實(shí)際負(fù)載的變化。同時(shí)它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、價(jià)格高，無法克服滑環(huán)、碳刷造成的不良影響。
        變頻器起動(dòng)電機(jī)，雖具有良好的靜、動(dòng)態(tài)起動(dòng)特性（能以1.5倍額定電流、額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)電機(jī)），起動(dòng)電流倍數(shù)可以在一定的范圍內(nèi)隨意調(diào)節(jié)、實(shí)現(xiàn)了恒電流、恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)電機(jī)的目的。但價(jià)格昂貴（高壓電機(jī)每KW達(dá)到1000元、低壓電機(jī)每KW近500元）、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行維護(hù)難度大，如用它起動(dòng)電機(jī)，目前時(shí)機(jī)顯然不成熟。
        2  無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
        2．1無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器簡(jiǎn)介
        無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器是將起動(dòng)電阻直接安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力作為動(dòng)力，控制電阻的大小，達(dá)到減少電機(jī)起動(dòng)電流、增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使繞線式異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無刷自控運(yùn)行的裝置。它在交流電動(dòng)機(jī)上安裝使用方法如圖1所示

 

 

 

        2．2 無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器工作原理
無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器控制原理如圖2所示，它與繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串入電阻相當(dāng)，即：

 

 

 

        人們將S = r1/x1+x2時(shí)的轉(zhuǎn)差率定義為臨界轉(zhuǎn)差率Slj，Slj一般在0.06—0.16之間，此時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩，電機(jī)電流為啟動(dòng)時(shí)電流的0.717倍即5倍額定電流；隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，S減少，電機(jī)電流和轉(zhuǎn)矩均降低。當(dāng)S=Se時(shí)（0.02
        公式簡(jiǎn)化為：
        起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：Mst=K1U12S/（rst+r2） 其中：K1=m1/Ω
        起動(dòng)電流：Ist= U1S/（rst+r2）
       上式說明：只要保證電機(jī)起動(dòng)電流恒定，就能保證電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩恒定；只有使起動(dòng)電阻rs隨S按一定的函數(shù)關(guān)系變化，才能保證起動(dòng)電流的基本恒定。
       2．3無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
為保證水電阻能在電機(jī)轉(zhuǎn)子上長(zhǎng)期免維護(hù)運(yùn)行，無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器在整體設(shè)計(jì)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(duì)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-20℃，沸點(diǎn)為120℃，以滿足不同環(huán)境下安全工作的要求。
       b）起動(dòng)器采用金屬全密封結(jié)構(gòu)，盡可能減少密封面數(shù)量。對(duì)少量密封點(diǎn)（接線柱、安全排氣閥和放液孔）均采用耐高溫（工作溫度達(dá)到250℃），耐老化的四氟乙烯塑料（俗稱塑料王）作為密封和絕緣材料。
       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(dòng)打開排氣閥，保證正常運(yùn)行時(shí)，起動(dòng)器內(nèi)部的壓力與大氣壓一致；同時(shí)，為避免因電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)，電解液燒開、起動(dòng)器內(nèi)部壓力升高，設(shè)置了安全閥，保證電機(jī)及起動(dòng)器的安全。
       3. 達(dá)到的效果
       無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了繞線式異步電動(dòng)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：
       3.1 提高了電機(jī)的起動(dòng)性能、可靠性和自適應(yīng)能力
       a)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器能以額定電流、額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，避免了高壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)液態(tài)電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態(tài)（晶閘管）軟起動(dòng)設(shè)備，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，當(dāng)電流降低50%時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低75%的影響，起動(dòng)電流必須大于電機(jī)額定電流3倍以上，才能起動(dòng)輕載電機(jī)這一缺點(diǎn)。
       b)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器起動(dòng)過程是電機(jī)根據(jù)本身的轉(zhuǎn)速自動(dòng)完成，無需人去干涉。其它起動(dòng)裝置一般靠時(shí)間繼電器、電流繼電器等間接控制；電機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，還要靠人去將起動(dòng)裝置退出運(yùn)行（特別是高壓電機(jī)），如退出時(shí)機(jī)不對(duì)，會(huì)威脅電機(jī)、機(jī)械、供電和啟動(dòng)設(shè)備的安全運(yùn)行。
       c)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(shí)，水電阻的溫度會(huì)因通過電流而升高，電阻自動(dòng)降低，從而逐步提高電機(jī)電流，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增加，確保電機(jī)一次起動(dòng)成功。
       d)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器使電機(jī)的起動(dòng)電流限制在額定電流附近，避免過大的起動(dòng)電流對(duì)電機(jī)造成的各種危害。
       e)如電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，電機(jī)會(huì)自動(dòng)加熱電解液，當(dāng)電解液燒干后，電機(jī)電流會(huì)自動(dòng)降為零，避免電機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間堵轉(zhuǎn)而燒壞。
       f)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，啟動(dòng)電阻會(huì)自動(dòng)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。
       3．2 降低了電機(jī)起動(dòng)裝置成本和體積
       a）一臺(tái)1400KW電機(jī)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的市場(chǎng)售價(jià)僅2萬元。相同容量的高壓鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)（電機(jī)價(jià)為17萬元）液態(tài)電阻（熱變電阻）起動(dòng)裝置需12萬元，另需增加一臺(tái)起動(dòng)高壓開關(guān)柜、一臺(tái)短接（隔離）高壓柜，兩根高壓電纜及附件16萬元，每臺(tái)電機(jī)不計(jì)安裝及基建費(fèi)用，就高達(dá)28萬元。繞線電機(jī)（電機(jī)價(jià)為23萬元）液態(tài)電阻（熱變電阻）起動(dòng)裝置＋短路開關(guān)柜約需10萬元；需增加三根3×240mm2低壓電纜作為轉(zhuǎn)子電流引出線，每根長(zhǎng)度按30米計(jì)，加上6個(gè)電纜頭，約需2.5萬元，在不計(jì)基建費(fèi)用的情況下，總計(jì)費(fèi)用將達(dá)到12.5萬元。
       b）一臺(tái)1400KW電機(jī)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器外形僅是一個(gè)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(dòng)機(jī)液態(tài)電阻（熱變電阻）起動(dòng)裝置外形尺寸為(1700+1200)×1200×2800，需進(jìn)行基建投資。
水電阻可以通過改變兩極板間的距離、電解液的濃度和溫度方便地連續(xù)調(diào)節(jié)，以滿足電機(jī)起動(dòng)過程中，對(duì)起動(dòng)電阻的控制要求。在電機(jī)起動(dòng)過程中，水電阻通過下述方法自動(dòng)控制：
       a） 改變極板的距離：隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，離心力加大，水電阻極板距離逐步減少，并在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速經(jīng)過一段延時(shí)后，將水電阻極板距離降為零。
       b） 改變水電阻的溫度：水電阻通過電流后溫度自動(dòng)升高，在水電阻負(fù)溫度特性的作用下，電阻逐步減少。
       3.3 節(jié)約了電能
       a）無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器能使交流電動(dòng)機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)，在電機(jī)選型時(shí)，不用考慮通過增加電機(jī)容量，增加電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，避免大馬拉小車現(xiàn)象。
       b）供電變壓器的選擇時(shí)，不用害怕電機(jī)起動(dòng)電流過大，電壓降過高，影響其它設(shè)備安全運(yùn)行而增加變壓器容量。
       3．4  結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便
       a）電機(jī)和起動(dòng)裝置合為一體變成了無刷自控電機(jī)。對(duì)用戶來說，它就是一臺(tái)具有優(yōu)良起動(dòng)性能（不用配置起動(dòng)控制柜及相應(yīng)電力電纜、控制電纜，不用考慮起動(dòng)設(shè)備安裝調(diào)試，就能使電機(jī)以額定電流、額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)）的“鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)”。起動(dòng)設(shè)備安裝完成后，對(duì)起動(dòng)裝置無需進(jìn)行任何操作和維護(hù)。
       b）起動(dòng)電阻的變化是通過離心力改變極板的距離和電解液通過電流后，溫度升高實(shí)現(xiàn)的，沒有復(fù)雜的控制電路和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了運(yùn)行維護(hù)工作量。
       4  .結(jié)束語
       無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器將電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)和電化學(xué)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，使交流電動(dòng)機(jī)以較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較低的成本實(shí)現(xiàn)了以額定電流、額定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)的夢(mèng)想。無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器為需要大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、小起動(dòng)電流的用戶找到了降低電機(jī)拖動(dòng)及控制系統(tǒng)的成本有效方法。無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器必將以優(yōu)良的起動(dòng)性能、低廉的價(jià)格、對(duì)電源和負(fù)載自適應(yīng)的能力、微小的體積、節(jié)能和運(yùn)行維護(hù)方便等特點(diǎn)，獲得更廣泛的應(yīng)用。無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器已獲得一項(xiàng)實(shí)用新型專利（專利號(hào)：ZL01277402.2），另有一項(xiàng)實(shí)用新型專利(申請(qǐng)?zhí)枺?3219788.8)和一項(xiàng)發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?3112809.2)正在受理中，并通過了江西電機(jī)產(chǎn)品鑒定站性能鑒定，投入了工業(yè)化生產(chǎn)。