無刷自控電機軟起動器原理
摘要：
本文先簡要介紹常用繞線式電機及起動裝置存在問題后，介紹無刷自控電機軟起動器的原理、結構特點、主要性能、創(chuàng)新性、先進性、技術成熟程度及典型應用效果和存在的主要問題。
關鍵詞：
軟起動器 起動電流 起動轉矩 起動比1 無刷自控 繞線電機
1 背景
鼠籠式三相異步電動機直接起動，起動電流達到電機額定電流的5-8倍，起動轉矩只有電機額定轉矩的0.6-1.2倍(隨著電機容量的增大,起動轉矩越來越小)，電機的起動比小于0.2。如采用降壓起動，不但起動設備復雜，成本高，還由于起動轉矩與起動電流的平方成正比，電機的起動比成正比地減少,因此, 鼠籠式三相異步電動機+起動裝置,只能用在起動轉矩小的風機、水泵等電機上，而不能用在球磨機、破碎機、軋鋼機等設備中。
三相繞線式轉子交流異步電動機因轉子可外接電阻、頻敏變阻器和反電勢。它不但能限制電機的起動電流，還能增加電機的起動轉矩和起動時的功率因素，使電機起動比接近1（轉子串電阻和反電勢時，起動比接近1，串頻敏變阻器時，起動比Z高可以達到0.55）。因此，三相繞線式轉子交流異步電動機在大容量、大轉矩的機械設備中得到廣泛應用。但三相繞線式轉子交流異步電動機因需將轉子電流通過電刷、滑環(huán)、電纜等引到地面且常用起動設備存在以下不足：
A、頻敏變阻起動柜：它是將繞線式電機轉子回路通過滑環(huán)、碳刷引入地面的頻敏變阻起動柜內，在電機起動時，串入頻敏變阻器，隨著電機轉速的增加，轉子電流頻率的降低，頻敏變阻器阻抗逐步減少，達到連續(xù)限制電機起動電流的目的。電機起動結束后、還需通過接觸器或短路環(huán)將頻敏變阻短接（部分中小型電機在轉子上裝有短路環(huán)）。串頻敏變阻器起動，由于頻敏變阻器實際上是一個電感元件，它降低了電機的功率因數，電機的起動比小于0.55。因此，它一般用在對起動轉矩要求不太高的風機、水泵、空壓機和球磨機電機上。它的變形產品：無刷無環(huán)起動器是將頻敏變阻器直接安裝在電機轉子上，實現電機無刷運行。無刷無環(huán)起動器存在：（1）起動電流一經出廠，就無法調整。（2）重量是無刷自控電機軟起動器的2倍以上，且起動器Z大功率無法越過500KW。（3）電機正常運行時，頻敏變阻器不短接，會產生一D的功率消耗，降低了拖動系統(tǒng)的效率。
B、繞線式異步電機串電阻多級起動柜，它也是將電機轉子電流引入起動柜內，通過時間、電流或凸輪控制器改變電阻的大小，達到增加電機起動轉矩、減少起動電流的目的。它的Z大優(yōu)點是：由于串入轉子回路是純電阻，功率因數高，起動比接近1。但起動控制裝置復雜，且起動過程中需頻繁切換起動電阻，造成多次沖擊電流，因此，它只用在對起動轉矩要求特高的起重機，軋鋼機等設備上。它的變型產品是：繞線式異步電動機液態(tài)電阻起動柜，它是將液體電阻串入電機的轉子回路，通過伺服電機改變極板的距離，從而改變液體電阻的大小，達到無級連續(xù)調整電機起動轉矩和起動電流的目的。它與凸輪控制器改變電阻相比，Z大的優(yōu)點是：1）無級連續(xù)調整電機電流，2）可以通過改變電解液的濃度，方便地改變起動電阻的大小，達到改變起動電機電流的目的；缺點是：1）常見的繞線式異步電動機液態(tài)電阻起動柜，沒有考慮液體電阻對極板及其傳動設備的腐蝕作用；2）沒有考慮裝置的密封和防爆、沒有考慮環(huán)境溫度對起動裝置的影響，造成壽命低；3）電機起動過程完全由伺服電機控制，不能自動適應電機的起動過程；4）應用范圍小，不能安裝在有振動的地方（如行車上）和北方的室外；5）體積大、運行維護工作量大、造價高等缺點。
柜式起動設備均需將轉子電流通過電刷、滑環(huán)、電纜等引到地面控制柜，電刷與滑環(huán)間磨下的碳粉會導致電機絕緣的降低，引發(fā)電動機故障�；h(huán)、電刷壓力彈簧銹蝕，引起電刷與滑環(huán)間打火。因對電機保養(yǎng)提出了更高的要求。同時電機起動過程人為給定，不能適應不同負載；起動裝置元器件多、二次回路復雜、故障率高、維護保養(yǎng)技術要求高、拖動系統(tǒng)綜合價格高是它們共同的另一個通病。
2 技術原理
無刷自控電機軟起動器是結合了無刷無環(huán)起動器和液態(tài)電阻起動柜的優(yōu)點且克服它們的不足而設計的。它的控制原理與繞線電機液態(tài)電阻起動柜相當，所不同的是，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，控制起動電阻的大小，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。它主要由機殼、電解液、動極板、施密特接觸裝置、彈簧、接線柱、安全閥、排氣閥等構成。它的內部原理結構簡圖如圖1所示，當電機起動時，一方面，隨著電機轉速的升高，動極板在離心力的作用下，逐步靠近機殼，串入電機轉子內的電阻成比例地減少，并在達到額定轉速時，與外殼短接，電阻降為零；另一方面，動極板與機殼間的水電阻，因通過電流而發(fā)熱，在水電阻負溫度特性的作用下，電阻也會逐步減少。在電機轉速和溫度兩方面的作用下，使電動機以近似于恒定電流、恒定轉矩起動。
無刷自控電機軟起動器控制原理如圖2所示，起動器出廠后，用戶可以通過改變電解液的濃度，改變起始電阻的大小，以達到方便無級調整電機的起始（堵轉）電流，滿足不同負荷對起始電流的要求。
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-25℃，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。
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。
D. 為防止極板在額定轉速附近，處于斷續(xù)接觸狀態(tài)，同時，為增加觸頭接觸應力，減少接觸電阻，設置了施密特接觸裝置，提高短接觸頭使用壽命和電機正常運行時的損耗和起動器的發(fā)熱量。
3 性能指標
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：
a) 無刷自控電機軟起動器能以起動比為1的方式起動電動機。避免了鼠籠式異步電動機直接起動，起動比小于0.2。安裝液態(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，起動比小于0.1這一缺點。
b) 無刷自控電機軟起動器出廠后，用戶可以通過改變電解液的濃度，改變起始電阻的大小，以達到調整電機的起始（堵轉）電流，滿足不同負荷對起始電流和起動轉矩的要求，避免了傳統(tǒng)起動裝置起動電流不能無級調整這一缺點。
c) 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、供電和起動設備的安全運行。
d) 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，增加電機起動轉矩，確保電機一次起動成功。
e) 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和供電設備造成的各種危害。
f) 如電機出現長期堵轉現象，電機會自動加熱電解液。由于消耗在電解液上的有功功率遠大于消耗在電機繞組上的有功功率，電解液會很快燒開，當電解液燒干后，電機轉子沒有通電回路，相當于起動電阻變成無窮大，電機轉子電流會自動降為零，達到保護電機的目的。
g) 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，起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。
h) 一臺1400KW電機無刷自控電機軟起動器的市場售價僅2萬元。而相同容量的常規(guī)軟起動裝置需10萬元以上，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。
i) 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，就能使電機以起動比為1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。
4.技術的創(chuàng)新性與先進性
本技術主要創(chuàng)新點及先進性是在國內首次采用了：
A． 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，控制起動電阻的大小，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。
B． 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-25℃，沸點為120℃，以滿足不同環(huán)境下安全工作和提高使用壽命的要求。
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；
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