无刷自控电机软起动器[原创]

无刷自控电机软起动器
翟佑华 (河南油田南阳石蜡精细化工厂)
(网址:http://www.china-shuguang.com)
摘要：本文先简要介绍常用绕线式电机及起动装置存在问题后，介绍无刷自控电机软起动器的原理、结构特点、主要性能、创新性、先进性、技术成熟程度及典型应用效果和存在的主要问题。
关键词：水电阻   起动比   无刷自控   绕线电机

1   背景
三相绕线式转子交流异步电动机(简称:绕线电机)因转子可外接电阻、频敏变阻器和反电势。它不但能限制电机的起动电流，还能增加电机的起动转矩和起动时的功率因素，使电机起动比(起动转矩倍率与起动电流倍率之比)接近1（转子串电阻和反电势时，起动比接近1，串频敏变阻器时，起动比最高可以达到0.55）,是鼠笼电机的5倍以上。因此，三相绕线式转子交流异步电动机在大容量、大转矩的机械设备中得到广泛应用。
绕线电机需将转子电流通过电刷、滑环、电缆等引到地面控制柜，电刷与滑环间磨下的碳粉会导致电机绝缘的降低，引发电动机故障。滑环、电刷压力弹簧锈蚀，引起电刷与滑环间打火。绕线电机常用起动装置有频敏变阻器和串电阻多级起动柜。频敏变阻器起动柜起动比小于0.55，起动电流调整不方便。串电阻多级起动柜，起动装置元器件多、结构复杂、且在切换电阻时，会产生冲击电流。为了克服绕线电机的不足，发明了无刷无环起动器；为了克服起动装置的不足，发明了水电阻软起动柜。
无刷无环起动器是将频敏变阻器直接安装在电机转子上，实现绕线式异步电动机无刷运行。它存在以下不足：（1）起动电流一经出厂，就无法调整。（2）电机正常运行时，频敏变阻器不短接，会产生一定的功率消耗。（3）起动比小于0.5。
水电阻软起动柜，它是控制控制原理如图1，即将水电阻（水电阻具有电阻大小可通过极板面积、极板间的距离和电解液的浓度无级调整，成本低，热容量大等特点）串入电机的转子回路，通过伺服电机改变极板的距离，从而改变水电阻的大小，达到无级连续调整电机起动转矩和起动电流的目的。它的最大优点是：（1）起动电流可连续无级调整，（2）可以通过改变电解液的浓度，方便地改变起动电阻的大小，达到改变起动电机电流的目的；（3）电机起动比可以达到1。缺点是：不能实现绕线式异步电动机无刷运行。
2 无刷自控电机软起动器技术原理
无刷自控电机软起动器是结合了无刷无环起动器和水电阻起动柜的优点且克服它们的不足而设计的。它的控制原理与绕线电机水电阻软起动柜相当，所不同的是，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，控制起动电阻的大小，达到减少电机起动电流、增加起动转矩，使绕线电机实现无刷自控运行的目的。它主要由机壳、电解液、动极板、施密特接触装置、弹簧、接线柱、安全阀、排气阀等构成。它的内部原理结构简图如图2所示。起动附加电阻就是极板与起动器外壳之间形成的水电阻，且与极板到外壳的距离成反比。当电机起动时，动极板在离心力的作用下，逐步靠近机壳，串入电机转子内的电阻成比例地减少，并在达到额定转速时，与外壳短接，电阻降为零。
为保证水电起动器使用寿命，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-25℃，沸点为120℃，以满足不同环境下安全工作的要求。
B. 设置安全排气阀，在电机转速达到设定转速后，自动打开排气阀，使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运行。
C. 设置了施密特接触装置，使起动电阻按图3所示曲线变化。它减少了短接触头动作次数和接触电阻，提高触头使用寿命。
3  达到的效果
无刷自控电机软起动器能以起动性能与绕线电机水软起动柜相当，即起动电流连续无级变化；起动电流大小调整方便；起动比达到1。同时存在以下优点：
a) 。无刷自控电机软起动器实现了绕线电机无刷自控运行，避免了绕线电机因存在滑环、碳刷，造成运行维护工作量大、故障率高的缺点。
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。保证了电机及起动设备的安全可靠运行。
c) 如电机出现长期堵转现象，消耗在水电阻上的功率远大于消耗在电机绕组上的功率，电解液会很快烧干，电机转子没有通电回路，电机转子电流会自动降为零，达到保护电机的目的。
d) 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，起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。
e) 价格仅为同类产品的1/3，且无需进行基建投资。
f) 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（起动比为1，起动电流可方便无级调整）的“鼠笼式异步电动机”。
4 技术的成熟程度，适用范围
无刷自控电机软起动器是已获三项国家专利（专利号分别为：012774022、032197888、031128092），并通过省级性能鉴定和省级新产品鉴定。无刷自控电机软起动器可广泛应用于冶金、机械、化工、矿山、建材等所有工业领域的球磨机、破碎机、风机、水泵、打浆机等电机传动设备中绕线电机的起动，它是频敏变阻器起动装置的理想替代品。
5  应用情况
无刷自控电机软起动器自2003年3月投放市场，就以简单的结构、优良的起动性能、价格仅为同类起动装置的30%左右等特点产品，受到了用户广泛的好评，创造了良好的社会效益和经济效益。产品在两年的时间内，就销遍了中国大陆除西藏外的所有省、市主自治区，年产值达到300万元。下面是一些典型应用实例：
 天津市静海水利局排灌中心站，有数十台水泵电机，原均使用频敏变阻器起动柜起动电机，由于它必须使用碳刷、滑环、起动控制柜等装置，故障率高。该公司为提高排水装置的可靠性，决定全部采用“无刷自控电机软起动器”，使起动电流由电机额定电流的4倍降为额定电流的两倍，满足了该公司对起动装置的要求。
 湖南柿竹园有色金属有限责任公司，有两台380V，280KW球磨机电动机，原均使用频敏变阻器起动柜起动电机，电机起动时，起动电流达到电机额定电流的4倍以上，单台电机起动时的电压降达到电源额定电压的10%以上。同时，由于该公司离电源中心较远，电源电压较低，经常出现电机起动失败现象，严重时，出现起动装置损坏。采用“无刷自控电机软起动器”后，电机的起动电流降到电机额定电流的2倍左右，电机起动压降降为额定电压的6%，并且从未出现电机起动失败现象，减少了电机运行维护工作量和故障率，受到了现场运行维护人员的喜爱。
 海螺集团宁国水泥水的球磨电机起动装置，已全部更换成无刷自控电机软起动器。由于可靠性高，运行维护工作量小，不但降低了电机运行维护成本，同时增加了水泥厂的产量，引起了海螺集团公司的高度重视，该公司下文，要求各下属水泥厂对现运行的球磨电机起动装置进行无刷自控运行改造。


翟佑华：高级工程师，中国石油化工装备协会电气专业委员会电气专家委员，已申请专利六项，发表论文十余篇。