發(fā)表于：2005/4/12 16:41:00
#0樓
摘要：本文先從異步電動機起動裝置產生的原因和存在的問題出發(fā)，介紹無刷自控電機軟起動器的原理和結構特點，說明無刷自控電機軟起動器的優(yōu)勢和代替其它電機起動裝置的必然性.。
關鍵詞：軟起動器 起動電流 起動轉矩 無刷自控電機 鼠籠電機 繞線電機
1 問題的提出
1．1 社會的發(fā)展
隨著生產設備的大型化，工業(yè)領域的球磨機、破碎機、風機、水泵、打漿機等設備中的電動機容量越來越大。交流電動機以結構簡單、運行可靠、維護方便、價格便宜等特點，得到了廣泛的應用。但：1、起動電流是額定電流的5-7倍，對供電設備、電機及所拖動的機械設備的造成極大的損害。2、起動時因過大的起動電流產生過大的電壓降，嚴重威脅著鄰近用電設備的安全運行。3、起動轉矩只有電機額定轉矩的0.4-1.2倍(電機容量越大,起動轉矩倍率越小),對起動轉矩比較大的負載（如球磨機、抽油機等）為了能正常起動電機,必須增加電機容量，造成電機大馬接小車。
1．2 傳統起動設備存在的問題
傳統的鼠籠式異步電動機起動設備（Y-△、串電阻、串電抗器、自耦變壓器等），屬有級降壓起動，起動控制過程靠時間繼電器等間接控制。起動特性不理想、起動過程變換時產生較大的沖擊電流、起動控制設備復雜、成本高。同時，起動轉矩與起動電流的平方成正比，當電流降低50%時，起動轉矩降低75%。
繞線式異步電機串電阻多級起動，能極大地增加電機起動轉矩、減少起動電流，但復雜的起動控制裝置，且起動過程中需頻繁切換起動電阻，造成多次沖擊電流。繞線式異步電機串頻敏變阻器起動，頻敏變阻器仍屬電抗器,起動電流仍達到電機額定電流的3-4倍，啟動轉矩不足額定轉矩的1.5倍,電壓稍低時，起動困難。同時，繞線式異步電機滑環(huán)、碳刷是造成電機運行維護工作量大、故障率高的根本原因。
1．3 現代的軟起動設備不能滿足用戶的需要
高壓鼠籠式異步電動機液態(tài)電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態(tài)（晶閘管）軟起動設備，能實現恒電流軟起動電機（因電機起動電流與時間的關系是非線性，僅靠時間根本無法實現恒電流軟起動）。但裝置串聯在電機的定子回路，要承受高電壓。這使得起動裝置體積較大、價格高、運行維護工作量大。同時，它仍受起動轉矩與起動電流的平方成正比，當電流降低50%時，起動轉矩降低75%的影響，起動電流必須大于電機額定電流3倍以上，才能起動輕載電機（對重載電機如球磨機，該起動方式無效）。
繞線式異步電機液態(tài)電阻軟起動設備，靠伺服電機改變水電阻極板距離。距離改變的速度需預先設置，無法自動跟蹤實際負載的變化。同時它的結構復雜、體積大、價格高，無法克服滑環(huán)、碳刷造成的不良影響。
變頻器起動電機，雖具有良好的靜、動態(tài)起動特性（能以1.5倍額定電流、額定轉矩起動電機），起動電流倍數可以在一定的范圍內隨意調節(jié)、實現了恒電流、恒轉矩起動電機的目的。但價格昂貴（高壓電機每KW達到1000元、低壓電機每KW近500元）、結構復雜、運行維護難度大，如用它起動電機，目前時機顯然不成熟。
2 無刷自控電機軟起動器工作原理及結構特點
2．1 無刷自控電機軟起動器簡介
無刷自控電機軟起動器是將起動電阻直接安裝在電動機的轉軸上，利用電機旋轉時產生的離心力作為動力，控制電阻的大小，達到減少電機起動電流、增加起動轉矩，使繞線式異步電動機實現無刷自控運行的裝置。它在交流電動機上安裝使用方法如圖1所示。
2．2 無刷自控電機軟起動器工作原理
無刷自控電機軟起動器控制原理如圖2所示，它與繞線式交流異步電動機轉子串入電阻相當，即：
人們將S = r1/x1+x2時的轉差率定義為臨界轉差率Slj，Slj一般在0.06—0.16之間，此時，電機的轉矩為最大轉矩，電機電流為啟動時電流的0.717倍即5倍額定電流；隨著電機轉速的升高，S減少，電機電流和轉矩均降低。當S=Se時（0.02<S<0.06），電機電流為額定電流時，產生的轉矩就達到額定轉矩（電機轉子不串入電阻，起動電流達到額定電流7倍以上）。因此，串入電阻rst》（x1+x2）》r1，為分析問題方便，上述公式簡化為：
起動轉矩：Mst=K1U12S/（rst+r2） 其中：K1=m1/Ω
起動電流：Ist= U1S/（rst+r2）
上式說明：只要保證電機起動電流恒定，就能保證電機起動轉矩恒定；只有使起動電阻rs隨S按一定的函數關系變化，才能保證起動電流的基本恒定。
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)調節(jié)，以滿足電機起動過程中，對起動電阻的控制要求。在電機起動過程中，水電阻通過下述方法自動控制：
a） 改變極板的距離：隨著電機轉速的升高，離心力加大，水電阻極板距離逐步減少，并在電機轉速達到電機額定轉速經過一段延時后，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升高，在水電阻負溫度特性的作用下，電阻逐步減少。
2．3 無刷自控電機軟起動器結構特點
為保證水電阻能在電機轉子上長期免維護運行，無刷自控電機軟起動器在整體設計上應用了以下技術：
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、極板腐蝕、產生氣體的化學反應；C、電解液的冰點為-20℃，沸點為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構，盡可能減少密封面數量。對少量密封點（接線柱、安全排氣閥和放液孔）均采用耐高溫（工作溫度達到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） 設置安全排氣閥，在電機轉速達到額定轉速后，自動打開排氣閥，保證正常運行時，起動器內部的壓力與大氣壓一致；同時，為避免因電機長時間堵轉，電解液燒開、起動器內部壓力升高，設置了安全閥，保證電機及起動器的安全。
3 達到的效果
無刷自控電機軟起動器實現了繞線式異步電動機無刷自控運行，避免了繞線式異步電機因存在滑環(huán)、碳刷，造成運行維護工作量大、故障率高的缺點，達到了以下效果：
3． 1 提高了電機的起動性能、可靠性和自適應能力
a) 無刷自控電機軟起動器能以額定電流、額定轉矩起動電動機，避免了高壓鼠籠式異步電動機液態(tài)電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態(tài)（晶閘管）軟起動設備，起動轉矩與起動電流的平方成正比，當電流降低50%時，起動轉矩降低75%的影響，起動電流必須大于電機額定電流3倍以上，才能起動輕載電機這一缺點。
b) 無刷自控電機軟起動器起動過程是電機根據本身的轉速自動完成，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；電機起動結束后，還要靠人去將起動裝置退出運行（特別是高壓電機），如退出時機不對，會威脅電機、機械、供電和啟動設備的安全運行。
c) 當電網電壓較低或負載較重，造成電機輸出轉矩不足時，水電阻的溫度會因通過電流而升高，電阻自動降低，從而逐步提高電機電流，電機起動轉矩自動增加，確保電機一次起動成功。
d) 無刷自控電機軟起動器使電機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造成的各種危害。
e) 如電機出現堵轉現象，電機會自動加熱電解液，當電解液燒干后，電機電流會自動降為零，避免電機因長時間堵轉而燒壞。
f) 電機運行過程中，遇到突加負載（如軋鋼機在軋鋼過程中出現堵轉），隨著電機轉速的降低，啟動電阻會自動串入轉子回路，達到增加轉矩，減少電流，保護電機安全的目的。
3．2 降低了電機起動裝置成本和體積
a）一臺1400KW電機無刷自控電機軟起動器的市場售價僅2萬元。相同容量的高壓鼠籠式異步電動機（電機價為17萬元）液態(tài)電阻（熱變電阻）起動裝置需12萬元，另需增加一臺起動高壓開關柜、一臺短接（隔離）高壓柜，兩根高壓電纜及附件16萬元，每臺電機不計安裝及基建費用，就高達28萬元。繞線電機（電機價為23萬元）液態(tài)電阻（熱變電阻）起動裝置＋短路開關柜約需10萬元；需增加三根3×240mm2低壓電纜作為轉子電流引出線，每根長度按30米計，加上6個電纜頭，約需2.5萬元，在不計基建費用的情況下，總計費用將達到12.5萬元。
b） 一臺1400KW電機無刷自控電機軟起動器外形僅是一個Φ600×320的圓柱體，并直接安裝在電機上。而相同容量的高壓鼠籠式異步電動機液態(tài)電阻（熱變電阻）起動裝置外形尺寸為(1700+1200)×1200×2800，需進行基建投資。
3． 3 節(jié)約了電能
a） 無刷自控電機軟起動器能使交流電動機以最大轉矩起動，在電機選型時，不用考慮通過增加電機容量，增加電機起動轉矩，避免大馬拉小車現象。
b） 供電變壓器的選擇時，不用害怕電機起動電流過大，電壓降過高，影響其它設備安全運行而增加變壓器容量。
3．4 結構簡單，運行維護方便
a） 電機和起動裝置合為一體變成了無刷自控電機。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電力電纜、控制電纜，不用考慮起動設備安裝調試，就能使電機以額定電流、額定轉矩起動）的“鼠籠式異步電動機”。起動設備安裝完成后，對起動裝置無需進行任何操作和維護。
b） 起動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，溫度升高實現的，沒有復雜的控制電路和傳動機構，提高了系統的可靠性，降低了運行維護工作量。
4 結束語
無刷自控電機軟起動器將電氣控制、機械設計和電化學技術有機地結合在一起，使交流電動機以較簡單的結構、較低的成本實現了以額定電流、額定轉矩起動的夢想。無刷自控電機軟起動器為需要大起動轉矩、小起動電流的用戶找到了降低電機拖動及控制系統的成本有效方法。無刷自控電機軟起動器必將以優(yōu)良的起動性能、低廉的價格、對電源和負載自適應的能力、微小的體積、節(jié)能和運行維護方便等特點，獲得更廣泛的應用。無刷自控電機軟起動器已獲得一項實用新型專利（專利號：ZL01277402.2），另有一項實用新型專利(申請?zhí)枺?3219788.8)和一項發(fā)明專利(申請?zhí)枺?3112809.2)，并通過了江西電機產品鑒定站性能鑒定，投入了工業(yè)化生產。對該技術有興趣的讀者，請登陸http://www.china-shuguang.com/網站或致電：
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參考資料：
1. 《中壓（3~10KV）電動機啟動方法的分析與比較》 作者：李咸全 遲連道等 《電氣世界》雜志，2002年第11期
2. 《3種新型高壓電動機軟啟動裝置評介》作者：李焦明 《水泥》雜志，2003年第7期
3. 《無刷自控電機應用優(yōu)勢解析》 作者：翟佑華 《電工技術》雜志，2003年第5期
作者簡介：
翟佑華：電氣工程師，中國化工裝備協會儀表電氣專家委員會電氣專家委員，已有五項國家專利（僅無刷自控電機及其啟動裝置就有三項專利），公開發(fā)表12篇學術論文，獲局、處兩級各種科技獎勵十余次，現主要從事無刷自控電機的推廣應用工作。
