無刷自控電機(jī)代替
普通電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和方法
翟佑華 溫州市曙光起動設(shè)備有限公司(325604)摘要：本文先從普通異步電動機(jī)過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩造成的危害出發(fā)，說明大型電機(jī)的啟動應(yīng)考慮降低啟動電流、增加啟動轉(zhuǎn)矩措施的必要性。再通過一個(gè)具體的電機(jī)拖動系統(tǒng)，選用不同的拖動方法，獲得不同的性能，需要不同的成本出發(fā)，說明無刷自控電機(jī)代替普通電機(jī)的必然性.。
關(guān)鍵詞：啟動轉(zhuǎn)矩 啟動電流 無刷自控電機(jī) 鼠籠電機(jī) 繞線電機(jī)1. 無刷自控異步電機(jī)的簡介
無刷自控電機(jī)就是一種克服了鼠籠式異步電動機(jī)啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩小；繞線式異步電動機(jī)裝有碳刷、滑環(huán)和復(fù)雜的啟動裝置等缺點(diǎn)；而保留了鼠籠電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量小；繞線電機(jī)啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)的電動機(jī)。它的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。無刷自控電機(jī)能根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動控制串入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻大小，達(dá)到增加電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩，減少電機(jī)啟動電流和實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動無刷運(yùn)行的目的。它不但能使異步電動機(jī)啟動的電流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie時(shí)，電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩（0.4--1.6Me）和啟動時(shí)間保持不變，還能使電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩（1.6--3.1Me）啟動。它可以代替鼠籠電機(jī)及其啟動裝置；繞線電機(jī)的滑環(huán)、碳刷及其啟動裝置。它可利用普通繞線式異步電動機(jī)，去掉滑環(huán)、碳刷及啟動裝置，并更換成無刷自控電動機(jī)啟動器后獲得。
2. 過大的啟動電流和過小的啟動轉(zhuǎn)矩造成的危害
普通異步電動機(jī)啟動電流達(dá)到額定電流的5--7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4--1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動。但過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時(shí)間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。
當(dāng)電機(jī)啟動電流達(dá)到額定電流的6--7倍時(shí)，線圈發(fā)熱量是電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的36--49倍，產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)到了36--49倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力，產(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定子線圈和轉(zhuǎn)子銅條（特別是轉(zhuǎn)子常利用趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，降低啟動電流，轉(zhuǎn)子銅條在啟動時(shí)，表面的溫度達(dá)到350℃以上）的使用壽命。如柳鋼公司燒結(jié)廠29m2燒結(jié)主風(fēng)機(jī)電機(jī)為兩臺1000KW鼠籠電機(jī)，全壓直接啟動，1997年一年內(nèi)累計(jì)燒毀電機(jī)六次。1998年開始采用降壓啟動后，到2002年止，已累計(jì)運(yùn)行4年，再沒有出現(xiàn)一次電機(jī)燒毀事故。正因如此，有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示：電機(jī)直接啟動時(shí)間不及電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的0.1%，但故障率占到電機(jī)全部故障率的30%以上。
電機(jī)的供電裝置一般是按電機(jī)額定電流選擇的，過大的啟動電流往往造成供電裝置的觸頭發(fā)熱，觸頭周圍絕緣老化，也是供電裝置損壞的一個(gè)主要原因。如南陽煉油廠丙烷裝置，其供電變壓器容量為800kvA，而最大電機(jī)容量只有130kw，完全具備電機(jī)直接啟動的條件，但過大的啟動電流，在2001年內(nèi)，三次造成低壓開關(guān)柜短路，生產(chǎn)裝置三次停產(chǎn)檢修，給該廠造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。
由于上述一些原因，大容量的電動機(jī)在電網(wǎng)和工藝條件均滿足的情況下，也常采取減少啟動電流的措施，以提高供電的可靠性和降低電機(jī)的故障率。但啟動裝置過高的價(jià)格（特別是中高壓電動機(jī)，軟啟動裝置+啟動開關(guān)柜等的價(jià)格是電機(jī)價(jià)格的1.5倍以上）、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不但增加了用戶的成本和降低了電力拖動系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩與啟動電流的平方成正比，當(dāng)采用降低定子電壓啟動方式時(shí)，如啟動電流由6Ie降到了3Ie時(shí)，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩將減少4倍，電機(jī)啟動時(shí)間增大5倍以上。正因如此，對啟動轉(zhuǎn)矩要求比較大、啟動時(shí)間要求比較短的電機(jī)，只能利用繞線式電機(jī)代替鼠籠式電機(jī)。
繞線式電機(jī)因其有碳刷、滑環(huán)及啟動控制系統(tǒng)，無法用在對拖動系統(tǒng)可靠性及免維護(hù)性要求比較高的場合。如油田廣泛使用的抽油機(jī)，需要大啟動轉(zhuǎn)矩電機(jī)，但因它們?nèi)堪惭b在野外，數(shù)量具大（年產(chǎn)原油18萬噸的河南油田，其抽油機(jī)電機(jī)數(shù)量就超過2千臺、大慶油田超過5萬臺），為提高電機(jī)拖動的可靠性，不得不采用鼠籠電機(jī)；同時(shí)，為了增加啟動轉(zhuǎn)矩，又不得不增加電機(jī)容量。使得抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載率不及電機(jī)額定功率的30%。它不但增加了電力拖動系統(tǒng)成本、還降低了電機(jī)的固有效率，浪費(fèi)了大量的能源。
為了說明無刷自控電機(jī)的優(yōu)越性，現(xiàn)以一臺1400KW、ne =1488r/min、6KV、Ie =154.A、Ist/Ie=6.38、Mmax/Me=2.3；的鼠籠型電動機(jī)拖動一臺主風(fēng)機(jī)和一臺1400KW的繞線式電動機(jī)拖動相同的負(fù)載，并均配置水電阻軟啟動器（水電阻啟動器的價(jià)格只及可控硅、磁飽和電抗器軟啟動器的1/2）為例，說明其設(shè)計(jì)方法、啟動性能和拖動系統(tǒng)成本。
3. 鼠籠電機(jī)及其拖動系統(tǒng)
該拖動系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，它一般由運(yùn)行高壓開關(guān)柜DL1、啟動高壓開關(guān)柜DL2、隔離開關(guān)K柜和水電阻R及其控制裝置等構(gòu)成。其中水電阻R及其控制裝置，就是在一個(gè)裝滿導(dǎo)電液體如鹽水中，插入兩個(gè)電極，形成電阻。其電阻的大小與電極的距離成正比，調(diào)節(jié)電極板的距離，就能調(diào)整這個(gè)電阻的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)定子電流的目的。將這樣的可變電阻串入電機(jī)的定子回路，就可以平滑地啟動電動機(jī)。
電機(jī)定子線圈串入三相對稱電阻后：
以該風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥門全關(guān)閉后啟動電機(jī)，并設(shè)電機(jī)啟動時(shí)的加速度力矩為10%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，可作出表（標(biāo)么值）1：
轉(zhuǎn)差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
轉(zhuǎn)速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
全電壓轉(zhuǎn)矩 1.17 1.21 1.25 1.30 1.35 1.40 1.42 1.53 1.75 2.34 1.67 1.27 1.47
全電壓下電流 6.38 6.30 6.21 6.10 5.96 5.80 5.61 5.38 5.09 4.53 2.57 1.70 5.14
風(fēng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩 0.11 0.09 0.08 0.08 0.08 0.10 0.12 0.15 0.18 0.23 0.26 0.31 0.15
軟啟動電流 2.70 2.49 2.35 2.28 2.19 2.17 2.17 2.16 2.04 1.70 1.19 0.96 2.03
電機(jī)電壓 0.42 0.40 0.38 0.37 0.37 0.38 0.39 0.40 0.40 0.38 0.46 0.56 0.41
電阻上電壓降 0.89 0.89 0.88 0.88 0.88 0.87 0.86 0.85 0.82 0.75 0.64 0.44 0.80
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 0.21 0.19 0.18 0.18 0.18 0.20 0.21 0.25 0.28 0.33 0.36 0.40 0.25
水電阻功率 2.40 2.20 2.08 2.00 1.92 1.89 1.87 1.83 1.68 1.28 0.77 0.43 1.70
在此狀態(tài)下，電機(jī)啟動時(shí)間為69秒，消耗的平均電功率為2300kw、消耗的電能約44kwh（能使475kg水從20℃升到期100℃）。該電機(jī)啟動完畢后，還需由操作工（或時(shí)間繼電器）合上運(yùn)行高壓開關(guān)DL1，斷開啟動開關(guān)DL2和K后，才能開啟風(fēng)機(jī)負(fù)載閥門，否則將威脅電機(jī)和啟動裝置的安全運(yùn)行。
該拖動系統(tǒng)電機(jī)價(jià)格約為17萬元、啟動柜及隔離開關(guān)柜約12萬元、三相變阻器約需12萬元；增加三根電纜，每根按30米計(jì)，加上6個(gè)電纜頭，約需4.5萬元，如不計(jì)基建[變阻器+啟動及隔離開關(guān)柜體積約為：（1.7+1.2）×1.2×2.8 m3]費(fèi)用，總計(jì)費(fèi)仍將高達(dá)45.5萬元（不計(jì)電機(jī)為28.5萬元）。
4. 繞線式電動機(jī)及其拖動系統(tǒng)
繞線式電機(jī)拖動系統(tǒng)如圖3所示：電機(jī)啟動時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路串一個(gè)電阻R，啟動結(jié)束后，將串入的轉(zhuǎn)子電阻短路。繞線式電機(jī)水電阻變化原理同鼠籠電機(jī)一樣，所不同的是，水電阻串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路，它在降低電機(jī)啟動電流的同時(shí)，增加電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻后:上述公式與鼠籠電機(jī)最大的區(qū)別在于：鼠籠電機(jī)啟動電阻只增加了啟動轉(zhuǎn)矩的分母，即它在減少了電機(jī)的啟動電流的同時(shí)，減少了電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩；并且，電機(jī)在啟動過程中是一個(gè)感性負(fù)載，電源電壓全部加在啟動電阻上，增加了啟動電阻的功率消耗。繞線式電機(jī)，正好克服了上述不足。當(dāng)Rst》（x1+x2）時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與Rst/S成反比，電流與Rst/S成反比；轉(zhuǎn)子輸出電壓與轉(zhuǎn)差率S成正比。根據(jù)這一關(guān)系，在風(fēng)機(jī)啟動阻力轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，加上電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩就是電機(jī)以額定轉(zhuǎn)矩100%加速啟動，并可制出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電流和電阻上的功率損耗表2。
轉(zhuǎn)差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
轉(zhuǎn)速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
電機(jī)電流 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
電阻上電壓降 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 0.46
電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
水電阻功率 1.11 0.98 0.86 0.76 0.65 0.55 0.45 0.34 0.24 0.12 0.06 0.03 0.51
從表2可以清楚的看出，繞線式電動機(jī)在啟動電流比鼠籠電機(jī)減少了近1/2倍的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩增加4倍以上，啟動時(shí)間減少到1/10倍(6.9秒)，在啟動電阻上消耗的電能減少了33倍（1.3Kw）左右（只就使14.4kg水從20℃加熱到100℃）。
該拖動系統(tǒng)：繞線電機(jī)約需23萬元、三相變阻器＋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35.5萬元。
5. 無刷自控電機(jī)及其實(shí)現(xiàn)方法
無刷自控電機(jī)拖動系統(tǒng)如圖4所示，它無需增加啟動控制柜和復(fù)雜的控制裝置，只需一個(gè)運(yùn)行開關(guān)柜，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動。它的主要電氣性能同繞線式異步電動機(jī)加裝水電阻式軟啟動器相當(dāng)，所不同的是：電機(jī)的啟動過程中，串入轉(zhuǎn)子內(nèi)的啟動電阻，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，其阻值按電機(jī)轉(zhuǎn)速平方規(guī)律自動減少，并在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速90%左右時(shí)，啟動電阻降為零。它保證了啟動裝置與電機(jī)啟動過程完全同步，并克服了繞線式電機(jī)滑環(huán)和碳刷、鼠籠電機(jī)復(fù)雜的啟動裝置和過高的成本造成的危害。
它可以從以下三個(gè)方面實(shí)現(xiàn)（假設(shè)已有鼠籠電機(jī)直接啟動系統(tǒng)）
A. 購買一臺無刷自控電機(jī)，取代現(xiàn)有鼠籠電機(jī)即可。該電機(jī)是按加裝無刷自控電機(jī)啟動器設(shè)計(jì)，去掉了繞線電機(jī)滑環(huán)、碳刷及防止碳粉入侵電機(jī)繞組等裝置。它不但降低了電機(jī)的制造成本（電機(jī)+啟動裝置約25萬元），還提高了電機(jī)的效率約0.1%左右。
B. 購買一臺繞線式異步電動機(jī)（約23萬元）和一套無刷自控電機(jī)軟啟動器（約2.5萬元）,去掉繞線式異步電動機(jī)內(nèi)的碳刷和滑環(huán)，安裝無刷自控電機(jī)軟啟動器，就變成了一臺無刷自控電機(jī)。
C. 保留電機(jī)定子及其附屬裝置不變，將原鼠籠轉(zhuǎn)子更換成無刷自控電機(jī)轉(zhuǎn)子（全部改造費(fèi)約需17萬元）即可。
6. 結(jié)論
從上述分析中，可以得出下表（以1400kw風(fēng)機(jī)拖動系統(tǒng)為例）：
項(xiàng)目 鼠籠電機(jī)+軟啟動 繞線電機(jī)+軟啟動 無刷自控電機(jī)
啟動電流(啟動電流/電機(jī)額定電流) 2.7Ie 1.11Ie 1.11Ie
啟動轉(zhuǎn)矩(啟動轉(zhuǎn)矩/電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩) 0.21Me 1.11Me 1.11Me
啟動時(shí)間(S) 69 6.9 6.9
啟動電阻消耗功率(kwh) 44 1.33 1.33
電機(jī)維護(hù)工作量 小 大 中
啟動裝置維護(hù)工作量 大 中 無
啟動裝置體積(m3) (1.7+1.2)×1.2×2.8 1.4×1.2×2.2 0
電機(jī)參考價(jià)格(萬元) 17 23 25
啟動器+啟動開關(guān)柜+啟動電纜價(jià)格(萬元) 28.5 12.5 0
拖動系統(tǒng)總價(jià)格(萬元) 45.5 35.5 25
無刷自控電還克服了繞線式異步電機(jī)及其啟動裝置：A.繞線式電機(jī)由于存在著滑環(huán)和碳刷，增加了電機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作量和電機(jī)的故障率，對連續(xù)自動工作和防爆的場合（如石化企業(yè)）限制了它的應(yīng)用。B.電機(jī)的啟動過程，同鼠籠電機(jī)一樣，還是間接控制（一般用時(shí)間繼電器）。很難保證啟動過程與電機(jī)同步。C.電刷，轉(zhuǎn)子引出電纜及轉(zhuǎn)子短接裝置要消耗一定的電能，降低了電機(jī)的固有效率。
正因如此，無刷自控電機(jī)這項(xiàng)專利自2002年9月25日由中國知識產(chǎn)權(quán)局公開后，2002年11月28日就被溫州曙光啟動設(shè)備有限公司買斷無刷自控電機(jī)啟動器生產(chǎn)、銷售權(quán)；2002年12月12日通過了“江西省電機(jī)產(chǎn)品檢測站”的性能鑒定；2003年1月15日，在上海市的生命工程--480KW防洪排灌電機(jī)上一次試用成功，并將作為2003年4月，上海水泵博覽會上的重點(diǎn)推薦產(chǎn)品。
無刷自控電機(jī)以其優(yōu)良的啟動性能，低廉的價(jià)格，不但會占領(lǐng)部分繞線式異步電動機(jī)及其啟動裝置的市場份額，還會替代部分鼠籠電機(jī)及其啟動裝置。參考資料：
1. 《中壓交流電動機(jī)使用固態(tài)軟啟動器與液體變阻器起動的比較》 作者：厲無咎 《中國化工裝備》雜志2002年增刊（第三屆全國石油和化學(xué)工業(yè)電氣技術(shù)交流研討會論文集）
2. 《電動機(jī)磁控軟啟動》 作者：高越農(nóng) 《中國化工裝備》雜志2002年增刊（第三屆全國石油和化學(xué)工業(yè)電氣技術(shù)交流研討會論文集）
3. 《中壓（3~10KV）電動機(jī)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
4. 《電機(jī)拖動自動控制》 張永豐主編 機(jī)械工業(yè)出版社，1978年
5. 《無刷自控繞線式異步電機(jī)的研制》 作者：翟佑華 《電工技術(shù)》雜志，2002年第12期作者簡介：
翟佑華：電氣工程師，中國化工裝備協(xié)會儀表電氣專家委員會電氣專家委員，已有五項(xiàng)國家專利（僅無刷自控電機(jī)及其啟動裝置就有三項(xiàng)專利），公開發(fā)表10篇學(xué)術(shù)論文，獲局、處兩級各種科技獎勵十余次，現(xiàn)主要從事無刷自控電機(jī)的推廣應(yīng)用工作。
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