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無刷自控軟起動器起源及發(fā)展
翟佑華付 軍
河南油田南陽石蠟精細化工廠 河南油田黨政辦(473132)
摘要：本文介紹了人們?yōu)閷崿F(xiàn)繞線電機無刷運行，所采取的措施和步驟及每一個步驟所帶來的技術(shù)進步。特別是無刷自控電機軟起動器的生產(chǎn)和使用過程中發(fā)現(xiàn)的不足及解決的辦法，使讀者對無刷自控電機軟起動器有一個全面的了解和認識。
關(guān)鍵詞：軟起動器 起動電流 起動轉(zhuǎn)矩 起動比1 無刷自控 繞線電機
背景技術(shù)
三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和起動時的功率因素，使電機起動比接近1（轉(zhuǎn)子串電阻和反電勢時，起動比接近1，串頻敏變阻器時，起動比最高可以達到0.55，而普通的鼠籠型電機起動比小于0.2）。因此，三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機在大容量、大轉(zhuǎn)矩的機械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。但：（1）三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機因需將轉(zhuǎn)子電流通過電刷、滑環(huán)、電纜等引到地面控制柜，控制設(shè)備復(fù)雜，運行維護成本高；（2）碳刷、滑環(huán)、聯(lián)接轉(zhuǎn)子回路的電纜及短接裝置需消耗大量的電能，降低了電機的效率；（3）電刷與滑環(huán)間磨下的碳粉會導(dǎo)致電機絕緣的降低，引發(fā)電動機故障；電刷的磨損、壓力彈簧銹蝕，引起電刷與滑環(huán)間打火造成拖動系統(tǒng)可靠性降低，運行維護工作量增大。因此，自三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動機誕生開始，人們就一直探索無刷運行。
1．深槽或雙鼠籠電機
從三相異步電動機的運行特性可以知道，適當增加轉(zhuǎn)子電阻，可以改善電動機的啟動性能。在普通鼠籠電機中，轉(zhuǎn)子電流回路是閉合的，無法串入電阻。人們從轉(zhuǎn)子槽形入手，設(shè)法利用轉(zhuǎn)子電流，在電機啟動時，頻率較高，深槽部分漏磁通多，阻抗大，出現(xiàn)啟動電流較小的“集膚效應(yīng)”現(xiàn)象，制成深槽或雙鼠籠電機，來達到改善電機啟動性能的目的。由于它人為地增加了電機轉(zhuǎn)子漏抗和轉(zhuǎn)子電阻，電機的最大啟動轉(zhuǎn)矩、正常運行的功率因素和效率（效率降低3—7%）均有所降低。深槽或雙鼠籠電機是靠犧牲電機的運行性能來換取電機的啟動性能，正因如此，它一般只用在對電氣可靠性要求較高、工作環(huán)境較惡劣、單機容量較少的場合，如油田的抽油機等。
2．雙繞組電機
《中小型電機》雜志2001年第四期64頁上公開了一種“無刷雙繞組三相異步電動機”（簡稱：雙繞組電機）。它是利用兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組的方法實現(xiàn)無刷運行。兩套轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)后與裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)電阻相聯(lián)接，通過改變兩套定子繞組輸入電源的相位，來改變轉(zhuǎn)子電阻的端電壓，達到增加電機啟動轉(zhuǎn)矩、減少啟動電流；根除繞線電機碳粉、電火花引起的繞組匝間短路、擊穿和集電環(huán)燒損等故障的目的。但該電機存在以下不足之處：
A、有兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組，增加了電機的體積、材料消耗和人工成本；
B、控制電路復(fù)雜，增加了電機用戶的成本和維護工作量；
C、開發(fā)該電機需重新設(shè)計、制造電機外殼和轉(zhuǎn)軸，增加了電機的開發(fā)成本；
D、對外接線有9根，可以組成幾十種接線方式，如有一種不按規(guī)定接線，就會造成電機不能正常工作，甚至短路等損壞電機事故；
E、人工通過控制開關(guān)改變啟動過程中的電機輸入電源的相位，達到減少啟動電流、增加啟動轉(zhuǎn)矩的目的。由于電機啟動時間很短（約3-10秒），在這個很短的時間內(nèi)，由人工通過控制開關(guān)切換電機的六個檔位，很難保證控制狀態(tài)處于最佳：即很難保證在啟動過程中，電機電流處于最小、轉(zhuǎn)矩處于最大的目的。
3．無刷電機
申請?zhí)枮?9115551.3、名為“無刷繞線式三相異步電動機電機”（簡稱：無刷電機）的發(fā)明專利；專利號為：ZL98224515.7，名為“無刷無環(huán)啟動器”的實用新型專利，均采用在電機轉(zhuǎn)子上安裝一個頻敏變阻器的方法，改善電動機的啟動性能。它雖能增加電機啟動轉(zhuǎn)矩，減少啟動電流；根除繞線電機碳粉、電火花引起的繞組匝間短路、擊穿和集電環(huán)燒損等故障。但由于電機正常運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子電流要通過頻敏電阻，從而降低了電機的效率和增加了轉(zhuǎn)子頻敏電阻的發(fā)熱量。頻敏變阻器是一個電感，起動比較小，同時，為減少這個發(fā)熱量，和照顧電機的起動力矩，電機的起動電流一般均大于額定電流的4倍以上，因它的主要性能同深槽或雙鼠籠電機相當，所不同的只是一個利用“集膚效應(yīng)”且在轉(zhuǎn)子內(nèi)部減少啟動電流，另一個是增加一套頻敏變阻器且放在電機的轉(zhuǎn)軸上，且均以犧牲電機的效率為前提，不能在實際生產(chǎn)中廣泛地應(yīng)用。
4．無刷自控繞線式異步電動機 2001年，作者成功地發(fā)明發(fā)一種無刷自控繞線式異步電動機。并獲得專利權(quán)（專利號：ZL01277402.2）。它的任務(wù)是克服上述幾種方法的不足，設(shè)計出一種高啟動轉(zhuǎn)矩、高效率和低啟動電流的交流異步電動機。
無刷自控電機的主要技術(shù)方案是：電機組成如圖1所示，它的基本結(jié)構(gòu)與普通繞線電機相同；不同之處，只是在原電機裝滑環(huán)的主軸輸出端，去掉滑環(huán)、電刷及刷架，更換成可旋轉(zhuǎn)的三相電阻（3）和離心開關(guān)（2）。
無刷自控電機控制原理如圖2所示，即：轉(zhuǎn)子電阻（3）由裝在轉(zhuǎn)軸上的離心開關(guān)（2）根據(jù)電機的轉(zhuǎn)速進行自動控制。轉(zhuǎn)子電阻（3）可為普通的恒定電阻或頻敏電阻。如用恒定電阻，可適當增加電阻切換的檔數(shù)，改善電機的啟動性能；如用頻敏電阻，只需一個檔位。全部附加電阻（3）在電機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時，由離心開關(guān)（2）自動短接，以減少電機在轉(zhuǎn)子附加電阻（3）上的功率消耗，提高電機的效率。
離心開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖（3）所示，它是由動觸頭（11）、靜觸頭（12）、彈簧（14）、慣性快（15）和聯(lián)桿（18）等元件構(gòu)成。它的動作原理是根據(jù)離心力F=mω2r和彈簧的彈力F=KS制成的。離心開關(guān)動作的轉(zhuǎn)速，可以通過改變離心開關(guān)彈簧（14）的彈力系數(shù)K和行程S、慣性塊（15）質(zhì)量m的大小和慣性塊（15）與軸心的距離r等參數(shù)進行調(diào)整。離心開關(guān)（2）在轉(zhuǎn)盤（9）上的分布應(yīng)是對稱的，以減少電機的振動。
無刷自控電機由于只需一套轉(zhuǎn)子電阻（3）、一套離心開關(guān)（2）、一個定子繞組（5）和一個轉(zhuǎn)子繞組（4）就能實現(xiàn)繞線式三相異步電動機的無刷運行。電機啟動時，全部附加電阻均串入轉(zhuǎn)子線圈中，增加了電機的啟動轉(zhuǎn)矩和減少了電機的啟動電流；電機轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速（正常運行）時，轉(zhuǎn)子附加電阻（3）又全部由離心開關(guān)（2）短接，保證電機不因附加電阻而降低效率。它不但可用于新電機的開發(fā)，還可用于舊電機的改造上。
但它存在以下不足：1、起動電阻需多級短接才能保證電動機的啟動性能；2、大容量電機的離心開關(guān)制造成本高，體積大；3、金屬電阻的熱容量小，體積大。因此，無法在大容量電機上應(yīng)用。
5.無刷自控電機軟啟動器
2003年，作者申請了無刷自控電機軟啟動器發(fā)明專利（專利號為：031128092）。無刷自控電機軟啟動器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是為大中型電機啟動而設(shè)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(zhuǎn)軸上，利用電機旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)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(zhuǎn)矩，使繞線式異步電動機實現(xiàn)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(gòu)成。它的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，當電機起動時，一方面，隨著電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子內(nèi)的電阻成比例地減少，并在達到額定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩起動。
但它存在以下不足：1、沒有涉及極板電腐蝕問題，金屬極板通過交流電流時，會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，從而縮短了無刷自控軟啟動器的使用壽命。2、排氣閥是靠安裝在閥門上的慣性塊控制，由于電解液旋轉(zhuǎn)速度滯后電機轉(zhuǎn)軸速度，當排氣閥打開后，液體會因轉(zhuǎn)速未達到“離心”狀態(tài)，液體會從排氣孔噴出。3、大型電機如啟動失�。ǘ罗D(zhuǎn)），會產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無法及時排出產(chǎn)生的大量蒸汽，會發(fā)生爆炸（已在用戶手中出現(xiàn)過一次爆炸現(xiàn)象，幸虧沒有傷著人）。
6.無刷自控電機軟起動器
2008年，作者為克服無刷自控電機軟啟動器的不足，申請了無刷自控電機軟起動器實用新型專利（專利號為：200820172688.7）。無刷自控電機軟起動器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由圓柱型外殼(1)、彈簧(2)、動極板(4)、靜極板(7)、接線柱(9)、安全排氣閥(8)、防爆膜片(10)和極板移動短接裝置等構(gòu)成。動極板(4)滑配在外殼(1)的中心立柱上，動極板(4)與靜極板(7)相鄰面均設(shè)有(柔性)石墨板；靜極板(7)與接線柱(9)聯(lián)接，并通過絕緣子固定安裝在外殼(1)上，與外殼(1)相鄰面加有絕緣板。
無刷自控電機軟起動器中的短接裝置，由雙輪（13）、軸承（12）和導(dǎo)軌（11）構(gòu)成，雙輪和軸承聯(lián)成一體，軸承外側(cè)與導(dǎo)軌滾動聯(lián)接，雙輪與動極板滾動聯(lián)接。導(dǎo)軌由一個近似于直角三角形的鋼板構(gòu)成，在靠近圓心的位置較低，隨半徑的增加逐步增高，并在靠近外殼的外圓柱處，角度忽然變小。極板短接過程是：電機啟動時，隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，雙輪和軸承產(chǎn)生的離心力逐步升高，通過導(dǎo)軌、軸承和雙輪傳遞給動極板，動極板在克服彈簧的阻力后，逐步向靜極板靠近，并在接近額定轉(zhuǎn)速時，與靜極板短接，完成電機的啟動過程。
安全排氣閥(8)由閥座、閥蓋、閥芯、閥簧、杠桿、支點、波紋座、波紋管、波紋芯、波紋簧、波紋蓋等組成。閥座、閥芯等構(gòu)成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤內(nèi)側(cè)，通過閥簧使閥門關(guān)閉；波紋座、波紋管、波紋芯、波紋簧、波紋蓋等構(gòu)成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤外側(cè)，之間通過杠桿、支點聯(lián)接。當電機啟動后，如啟動器內(nèi)部壓力高于設(shè)定壓力，波紋管被壓縮，通過杠桿使閥芯向上運動，打開閥門，完成泄壓工作；同時，隨著電機轉(zhuǎn)速的升高，在離心力的作用下，電解液外圓側(cè)的壓力會升高，因波紋管(24)安裝在電解液外圓側(cè)，當電機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定值時，也會使閥門打開。
防爆膜片（10）由膜座、膜蓋和膜片構(gòu)成，當起動器內(nèi)部壓力高于防爆膜片設(shè)定壓力時，膜片會破裂，將起動器內(nèi)的電解液迅速排出體外，保證起動器安全可靠運行，同時，由于電解液的流失，使得電機轉(zhuǎn)子開路，電機轉(zhuǎn)子電流降到零，通過電機的電流只有定子空載電流，保護了電機的安全。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢：1、動極板(4)與靜極板(7)相鄰面均設(shè)有(柔性)石墨板，使啟動電流的路徑由金屬-電解液-金屬變成金屬-石墨-電解液-石墨-金屬，避免了電流通過金屬與電解液時產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，延長了啟動器的使用壽命。2、使用波紋管(24)感應(yīng)電解液壓力和轉(zhuǎn)速，避免慣性塊控制由于電解液旋轉(zhuǎn)速度滯后電機轉(zhuǎn)軸速度，而發(fā)生的噴液現(xiàn)象，同時將安全和排氣兩種閥合為一體。3、大型電機如啟動失�。ǘ罗D(zhuǎn)），會產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無法及時排出產(chǎn)生的大量蒸汽，會發(fā)生爆炸的現(xiàn)象。增設(shè)防爆膜片(10)，就有效防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，提高了啟動器的安全性，同時，由于膜片選用透明的，可作為電解液的液位指示裝置。4、使用雙輪、軸承和導(dǎo)軌構(gòu)成動極板與靜極板的短接裝置，減少了動極板移動阻力、增加了動極板與靜極板間的距離及水電阻的有效體積，簡化了短接裝置的結(jié)構(gòu)和成本。5、導(dǎo)軌在靠近外殼的外圓柱處，角度忽然變小，提高了極板的短接速度，進一步提高了極板的使用壽命。同時，極板返回的轉(zhuǎn)速明顯低于短接轉(zhuǎn)速，增加了極板短接壓力，避免了極板跳躍現(xiàn)象發(fā)生。6、使用石墨極板，徹底避免了金屬極板的熔焊現(xiàn)象的發(fā)生。
后記
無刷自控電機軟啟動器于2003年通過了江西電機產(chǎn)品鑒定站性能鑒定，2004年通過了浙江省2004年度首批高新產(chǎn)品鑒定，同時已獲得了一項發(fā)明專利、兩項實用新型專利，目前已有數(shù)千臺產(chǎn)品在全國使用，受到了用戶的好評。但作為一個將電氣控制、機械設(shè)計和電化學(xué)技術(shù)有機地結(jié)合在一起的原創(chuàng)產(chǎn)品，它的不足之處在產(chǎn)品的初期很難初發(fā)現(xiàn)，但隨著近七年的使用，各種問題和缺陷逐步顯現(xiàn)。無刷自控電機軟起動器是在無刷自控電機軟啟動器的基礎(chǔ)上發(fā)明的，盡管在目前來看是非常完備的，但我相信，只有在實際使用和制造過程中，不但發(fā)現(xiàn)它的不足和改進之處，才能使它逐步成為一個起動電流小、起動力矩大、安全可靠、使用壽命長、成本低的電機起動器，最大限度地滿足用戶的需要的優(yōu)良產(chǎn)品。同時，也希望與對本技術(shù)有興趣的讀者進行技術(shù)交流與探索。
作者簡介
翟佑華：高級電氣工程師，河南油田南陽石蠟精細化工廠設(shè)計所主任工程師，中國石油化工裝備協(xié)會電氣專業(yè)委員會電氣專家委員，已申請專利七項，發(fā)表論文十余篇。
聯(lián)系方式
通訊地址：河南油田南陽精蠟廠設(shè)計所郵編：473132手機：13137080750博客：http://zuh806-63.blog.163.com電子信箱：zuh806-63＠163.com。
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