新一代无刷自控电机软起动器!

        温州市曙光起动设备有限公司（2）（325604）
摘要：本文先从异步电动机起动装置产生的原因和存在的问题出发，介绍无刷自控电机软起动器的原理和结构特点，说明无刷自控电机软起动器的优势和代替其它电机起动装置的必然性.。
关键词：软起动器   起动电流   起动转矩  无刷自控电机   鼠笼电机   绕线电机

1     问题的提出
1．1 社会的发展
随着生产设备的大型化，工业领域的球磨机、破碎机、风机、水泵、打浆机等设备中的电动机容量越来越大。交流电动机以结构简单、运行可靠、维护方便、价格便宜等特点，得到了广泛的应用。但：1、起动电流是额定电流的5-7倍，对供电设备、电机及所拖动的机械设备的造成极大的损害。2、起动时因过大的起动电流产生过大的电压降，严重威胁着邻近用电设备的安全运行。3、起动转矩只有电机额定转矩的0.4-1.2倍(电机容量越大,起动转矩倍率越小),对起动转矩比较大的负载（如球磨机、抽油机等）为了能正常起动电机,必须增加电机容量，造成电机大马接小车。
1．2 传统起动设备存在的问题
传统的鼠笼式异步电动机起动设备（Y-△、串电阻、串电抗器、自耦变压器等），属有级降压起动，起动控制过程靠时间继电器等间接控制。起动特性不理想、起动过程变换时产生较大的冲击电流、起动控制设备复杂、成本高。同时，起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75%。
绕线式异步电机串电阻多级起动，能极大地增加电机起动转矩、减少起动电流，但复杂的起动控制装置，且起动过程中需频繁切换起动电阻，造成多次冲击电流。绕线式异步电机串频敏变阻器起动，频敏变阻器仍属电抗器,起动电流仍达到电机额定电流的3-4倍，启动转矩不足额定转矩的1.5倍,电压稍低时，起动困难。同时，绕线式异步电机滑环、碳刷是造成电机运行维护工作量大、故障率高的根本原因。
1．3 现代的软起动设备不能满足用户的需要
高压鼠笼式异步电动机液态电阻（热变电阻）、磁控电抗器、固态（晶闸管）软起动设备，能实现恒电流软起动电机（因电机起动电流与时间的关系是非线性，仅靠时间根本无法实现恒电流软起动）。但装置串联在电机的定子回路，要承受高电压。这使得起动装置体积较大、价格高、运行维护工作量大。同时，它仍受起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75%的影响，起动电流必须大于电机额定电流3倍以上，才能起动轻载电机（对重载电机如球磨机，该起动方式无效）。
绕线式异步电机液态电阻软起动设备，靠伺服电机改变水电阻极板距离。距离改变的速度需预先设置，无法自动跟踪实际负载的变化。同时它的结构复杂、体积大、价格高，无法克服滑环、碳刷造成的不良影响。
变频器起动电机，虽具有良好的静、动态起动特性（能以1.5倍额定电流、额定转矩起动电机），起动电流倍数可以在一定的范围内随意调节、实现了恒电流、恒转矩起动电机的目的。但价格昂贵（高压电机每KW达到1000元、低压电机每KW近500元）、结构复杂、运行维护难度大，如用它起动电机，目前时机显然不成熟。
2    无刷自控电机软起动器工作原理及结构特点
2．1 无刷自控电机软起动器简介
无刷自控电机软起动器是将起动电阻直接安装在电动机的转轴上，利用电机旋转时产生的离心力作为动力，控制电阻的大小，达到减少电机起动电流、增加起动转矩，使绕线式异步电动机实现无刷自控运行的装置。它在交流电动机上安装使用方法如图1所示。
2．2 无刷自控电机软起动器工作原理
无刷自控电机软起动器控制原理如图2所示，它与绕线式交流异步电动机转子串入电阻相当，即：
人们将S = r1/x1+x2时的转差率定义为临界转差率Slj，Slj一般在0.06—0.16之间，此时，电机的转矩为最大转矩，电机电流为启动时电流的0.717倍即5倍额定电流；随着电机转速的升高，S减少，电机电流和转矩均降低。当S=Se时（0.02<S<0.06），电机电流为额定电流时，产生的转矩就达到额定转矩（电机转子不串入电阻，起动电流达到额定电流7倍以上）。因此，串入电阻rst》（x1+x2）》r1，为分析问题方便，上述公式简化为：
起动转矩：Mst=K1U12S/（rst+r2）  其中：K1=m1/Ω
起动电流：Ist= U1S/（rst+r2）
上式说明：只要保证电机起动电流恒定，就能保证电机起动转矩恒定；只有使起动电阻rs随S按一定的函数关系变化，才能保证起动电流的基本恒定。
水电阻可以通过改变两极板间的距离、电解液的浓度和温度方便地连续调节，以满足电机起动过程中，对起动电阻的控制要求。在电机起动过程中，水电阻通过下述方法自动控制：
a） 改变极板的距离：随着电机转速的升高，离心力加大，水电阻极板距离逐步减少，并在电机转速达到电机额定转速经过一段延时后，将水电阻极板距离降为零。
b） 改变水电阻的温度：水电阻通过电流后温度自动升高，在水电阻负温度特性的作用下，电阻逐步减少。
2．3 无刷自控电机软起动器结构特点
为保证水电阻能在电机转子上长期免维护运行，无刷自控电机软起动器在整体设计上应用了以下技术：
a） 选用具有下述特性的电解液为水电阻：A、对金属（铜和钢）具有防锈作用；B、通过大电流后，不发生电解液变质、极板腐蚀、产生气体的化学反应；C、电解液的冰点为-20℃，沸点为120℃，以满足不同环境下安全工作的要求。
b） 起动器采用金属全密封结构，尽可能减少密封面数量。对少量密封点（接线柱、安全排气阀和放液孔）均采用耐高温（工作温度达到250℃），耐老化的四氟乙烯塑料（俗称塑料王）作为密封和绝缘材料。
c） 设置安全排气阀，在电机转速达到额定转速后，自动打开排气阀，保证正常运行时，起动器内部的压力与大气压一致；同时，为避免因电机长时间堵转，电解液烧开、起动器内部压力升高，设置了安全阀，保证电机及起动器的安全。
3    达到的效果
无刷自控电机软起动器实现了绕线式异步电动机无刷自控运行，避免了绕线式异步电机因存在滑环、碳刷，造成运行维护工作量大、故障率高的缺点，达到了以下效果：
3． 1  提高了电机的起动性能、可靠性和自适应能力
a) 无刷自控电机软起动器能以额定电流、额定转矩起动电动机，避免了高压鼠笼式异步电动机液态电阻（热变电阻）、磁控电抗器、固态（晶闸管）软起动设备，起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75%的影响，起动电流必须大于电机额定电流3倍以上，才能起动轻载电机这一缺点。
b) 无刷自控电机软起动器起动过程是电机根据本身的转速自动完成，无需人去干涉。其它起动装置一般靠时间继电器、电流继电器等间接控制；电机起动结束后，还要靠人去将起动装置退出运行（特别是高压电机），如退出时机不对，会威胁电机、机械、供电和启动设备的安全运行。
c) 当电网电压较低或负载较重，造成电机输出转矩不足时，水电阻的温度会因通过电流而升高，电阻自动降低，从而逐步提高电机电流，电机起动转矩自动增加，确保电机一次起动成功。
d) 无刷自控电机软起动器使电机的起动电流限制在额定电流附近，避免过大的起动电流对电机造成的各种危害。
e) 如电机出现堵转现象，电机会自动加热电解液，当电解液烧干后，电机电流会自动降为零，避免电机因长时间堵转而烧坏。
f) 电机运行过程中，遇到突加负载（如轧钢机在轧钢过程中出现堵转），随着电机转速的降低，启动电阻会自动串入转子回路，达到增加转矩，减少电流，保护电机安全的目的。
3．2    降低了电机起动装置成本和体积
a）一台1400KW电机无刷自控电机软起动器的市场售价仅2万元。相同容量的高压鼠笼式异步电动机（电机价为17万元）液态电阻（热变电阻）起动装置需12万元，另需增加一台起动高压开关柜、一台短接（隔离）高压柜，两根高压电缆及附件16万元，每台电机不计安装及基建费用，就高达28万元。绕线电机（电机价为23万元）液态电阻（热变电阻）起动装置＋短路开关柜约需10万元；需增加三根3×240mm2低压电缆作为转子电流引出线，每根长度按30米计，加上6个电缆头，约需2.5万元，在不计基建费用的情况下，总计费用将达到12.5万元。
b） 一台1400KW电机无刷自控电机软起动器外形仅是一个Φ600×320的圆柱体，并直接安装在电机上。而相同容量的高压鼠笼式异步电动机液态电阻（热变电阻）起动装置外形尺寸为(1700+1200)×1200×2800，需进行基建投资。
3． 3   节约了电能
a） 无刷自控电机软起动器能使交流电动机以最大转矩起动，在电机选型时，不用考虑通过增加电机容量，增加电机起动转矩，避免大马拉小车现象。
b） 供电变压器的选择时，不用害怕电机起动电流过大，电压降过高，影响其它设备安全运行而增加变压器容量。
3．4 结构简单，运行维护方便
a） 电机和起动装置合为一体变成了无刷自控电机。对用户来说，它就是一台具有优良起动性能（不用配置起动控制柜及相应电力电缆、控制电缆，不用考虑起动设备安装调试，就能使电机以额定电流、额定转矩起动）的“鼠笼式异步电动机”。起动设备安装完成后，对起动装置无需进行任何操作和维护。
b） 起动电阻的变化是通过离心力改变极板的距离和电解液通过电流后，温度升高实现的，没有复杂的控制电路和传动机构，提高了系统的可靠性，降低了运行维护工作量。
4 结束语
无刷自控电机软起动器将电气控制、机械设计和电化学技术有机地结合在一起，使交流电动机以较简单的结构、较低的成本实现了以额定电流、额定转矩起动的梦想。无刷自控电机软起动器为需要大起动转矩、小起动电流的用户找到了降低电机拖动及控制系统的成本有效方法。无刷自控电机软起动器必将以优良的起动性能、低廉的价格、对电源和负载自适应的能力、微小的体积、节能和运行维护方便等特点，获得更广泛的应用。无刷自控电机软起动器已获得一项实用新型专利（专利号：ZL01277402.2），另有一项实用新型专利(申请号：03219788.8)和一项发明专利(申请号：03112809.2)，并通过了江西电机产品鉴定站性能鉴定，投入了工业化生产。对该技术有兴趣的读者，请登陆http://www.china-shuguang.com/网站或致电：
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参考资料：
1. 《中压（3~10KV）电动机启动方法的分析与比较》 作者：李咸全  迟连道等   《电气世界》杂志，2002年第11期
2. 《3种新型高压电动机软启动装置评介》作者：李焦明 《水泥》杂志，2003年第7期
3. 《无刷自控电机应用优势解析》 作者：翟佑华 《电工技术》杂志，2003年第5期

作者简介：
翟佑华：电气工程师，中国化工装备协会仪表电气专家委员会电气专家委员，已有五项国家专利（仅无刷自控电机及其启动装置就有三项专利），公开发表12篇学术论文，获局、处两级各种科技奖励十余次，现主要从事无刷自控电机的推广应用工作。