無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器原理
摘要：
本文先簡要介紹常用繞線式電機(jī)及起動(dòng)裝置存在問題后，介紹無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、主要性能、創(chuàng)新性、先進(jìn)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(dòng)器 起動(dòng)電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 起動(dòng)比1 無刷自控 繞線電機(jī)
1 背景
鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)電流達(dá)到電機(jī)額定電流的5-8倍，起動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)矩越來越小)，電機(jī)的起動(dòng)比小于0.2。如采用降壓起動(dòng)，不但起動(dòng)設(shè)備復(fù)雜，成本高，還由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與起動(dòng)電流的平方成正比，電機(jī)的起動(dòng)比成正比地減少,因此, 鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)+起動(dòng)裝置,只能用在起動(dòng)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(dòng)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(dòng)電流，還能增加電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)時(shí)的功率因素，使電機(jī)起動(dòng)比接近1（轉(zhuǎn)子串電阻和反電勢時(shí)，起動(dòng)比接近1，串頻敏變阻器時(shí)，起動(dòng)比Z高可以達(dá)到0.55）。因此，三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)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(dòng)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(dòng)設(shè)備存在以下不足：
A、頻敏變阻起動(dòng)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(dòng)柜內(nèi)，在電機(jī)起動(dòng)時(shí)，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(dòng)電流的目的。電機(jī)起動(dòng)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(dòng)，由于頻敏變阻器實(shí)際上是一個(gè)電感元件，它降低了電機(jī)的功率因數(shù)，電機(jī)的起動(dòng)比小于0.55。因此，它一般用在對(duì)起動(dòng)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(dòng)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(dòng)器存在：（1）起動(dòng)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(dòng)器的2倍以上，且起動(dòng)器Z大功率無法越過500KW。（3）電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，頻敏變阻器不短接，會(huì)產(chǎn)生一D的功率消耗，降低了拖動(dòng)系統(tǒng)的效率。
B、繞線式異步電機(jī)串電阻多級(jí)起動(dòng)柜，它也是將電機(jī)轉(zhuǎn)子電流引入起動(dòng)柜內(nèi)，通過時(shí)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(dòng)轉(zhuǎn)矩、減少起動(dòng)電流的目的。它的Z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(dòng)比接近1。但起動(dòng)控制裝置復(fù)雜，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，因此，它只用在對(duì)起動(dòng)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(dòng)機(jī)液態(tài)電阻起動(dòng)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(jí)連續(xù)調(diào)整電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的目的。它與凸輪控制器改變電阻相比，Z大的優(yōu)點(diǎn)是：1）無級(jí)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(dòng)電阻的大小，達(dá)到改變起動(dòng)電機(jī)電流的目的；缺點(diǎn)是：1）常見的繞線式異步電動(dòng)機(jī)液態(tài)電阻起動(dòng)柜，沒有考慮液體電阻對(duì)極板及其傳動(dòng)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(duì)起動(dòng)裝置的影響，造成壽命低；3）電機(jī)起動(dòng)過程完全由伺服電機(jī)控制，不能自動(dòng)適應(yīng)電機(jī)的起動(dòng)過程；4）應(yīng)用范圍小，不能安裝在有振動(dòng)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(jià)高等缺點(diǎn)。
柜式起動(dòng)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(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣的降低，引發(fā)電動(dòng)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(shí)電機(jī)起動(dòng)過程人為給定，不能適應(yīng)不同負(fù)載；起動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)綜合價(jià)格高是它們共同的另一個(gè)通病。
2 技術(shù)原理
無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器是結(jié)合了無刷無環(huán)起動(dòng)器和液態(tài)電阻起動(dòng)柜的優(yōu)點(diǎn)且克服它們的不足而設(shè)計(jì)的。它的控制原理與繞線電機(jī)液態(tài)電阻起動(dòng)柜相當(dāng)，所不同的是，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，控制起動(dòng)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。它主要由機(jī)殼、電解液、動(dòng)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(dòng)時(shí)，一方面，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，動(dòng)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(shí)，與外殼短接，電阻降為零；另一方面，動(dòng)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(huì)逐步減少。在電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度兩方面的作用下，使電動(dòng)機(jī)以近似于恒定電流、恒定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。
無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器控制原理如圖2所示，起動(dòng)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(jí)調(diào)整電機(jī)的起始（堵轉(zhuǎn)）電流，滿足不同負(fù)荷對(duì)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，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-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(dòng)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(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。
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(shí)，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(shí)的損耗和起動(dòng)器的發(fā)熱量。
3 性能指標(biāo)
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：
a) 無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器能以起動(dòng)比為1的方式起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。避免了鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)，起動(dòng)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(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)比小于0.1這一缺點(diǎn)。
b) 無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)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)到調(diào)整電機(jī)的起始（堵轉(zhuǎn)）電流，滿足不同負(fù)荷對(duì)起始電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，避免了傳統(tǒng)起動(dòng)裝置起動(dòng)電流不能無級(jí)調(diào)整這一缺點(diǎn)。
c) 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、供電和起動(dòng)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(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，增加電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，確保電機(jī)一次起動(dòng)成功。
e) 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)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(huì)自動(dòng)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(huì)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(dòng)電阻變成無窮大，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流會(huì)自動(dòng)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(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。
h) 一臺(tái)1400KW電機(jī)無刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的市場售價(jià)僅2萬元。而相同容量的常規(guī)軟起動(dòng)裝置需10萬元以上，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。
i) 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)以起動(dòng)比為1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)。
4.技術(shù)的創(chuàng)新性與先進(jìn)性
本技術(shù)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及先進(jìn)性是在國內(nèi)首次采用了：
A． 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，控制起動(dòng)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。
B． 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-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(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；
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