無刷自控電機軟起動器

 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，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社會的發展
         隨著生產設備的大型化，工業領域的球磨機、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。但是
        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、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電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態（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、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、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
        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。
       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、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電阻（熱變電阻）、磁控電抗器、固態（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。
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調節，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。
       3.3 節約了電能
       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(申請號：03219788.8)和一項發明專利(申請號：03112809.2)正在受理中，并通過了江西電機產品鑒定站性能鑒定，投入了工業化生產。