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無刷自控軟起動器起源及發展
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：本文介紹了人們為實現繞線電機無刷運行，所采取的措施和步驟及每一個步驟所帶來的技術進步。特別是無刷自控電機軟起動器的生產和使用過程中發現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
背景技術
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：（1）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、電纜等引到地面控制柜，控制設備復雜，運行維護成本高；（2）碳刷、滑環、聯接轉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）電刷與滑環間磨下的碳粉會導致電機絕緣的降低，引發電動機故障；電刷的磨損、壓力彈簧銹蝕，引起電刷與滑環間打火造成拖動系統可靠性降低，運行維護工作量增大。因此，自三相繞線式轉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，適當增加轉子電阻，可以改善電動機的啟動性能。在普通鼠籠電機中，轉子電流回路是閉合的，無法串入電阻。人們從轉子槽形入手，設法利用轉子電流，在電機啟動時，頻率較高，深槽部分漏磁通多，阻抗大，出現啟動電流較小的“集膚效應”現象，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子漏抗和轉子電阻，電機的最大啟動轉矩、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子繞組的方法實現無刷運行。兩套轉子繞組并聯后與裝在轉子上的旋轉電阻相聯接，通過改變兩套定子繞組輸入電源的相位，來改變轉子電阻的端電壓，達到增加電機啟動轉矩、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、控制電路復雜，增加了電機用戶的成本和維護工作量；
C、開發該電機需重新設計、制造電機外殼和轉軸，增加了電機的開發成本；
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，由人工通過控制開關切換電機的六個檔位，很難保證控制狀態處于最佳：即很難保證在啟動過程中，電機電流處于最小、轉矩處于最大的目的。
3．無刷電機
申請號為99115551.3、名為“無刷繞線式三相異步電動機電機”（簡稱：無刷電機）的發明專利；專利號為：ZL98224515.7，名為“無刷無環啟動器”的實用新型專利，均采用在電機轉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、擊穿和集電環燒損等故障。但由于電機正常運轉時，轉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子頻敏電阻的發熱量。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”且在轉子內部減少啟動電流，另一個是增加一套頻敏變阻器且放在電機的轉軸上，且均以犧牲電機的效率為前提，不能在實際生產中廣泛地應用。
4．無刷自控繞線式異步電動機 2001年，作者成功地發明發一種無刷自控繞線式異步電動機。并獲得專利權（專利號：ZL01277402.2）。它的任務是克服上述幾種方法的不足，設計出一種高啟動轉矩、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方案是：電機組成如圖1所示，它的基本結構與普通繞線電機相同；不同之處，只是在原電機裝滑環的主軸輸出端，去掉滑環、電刷及刷架，更換成可旋轉的三相電阻（3）和離心開關（2）。
無刷自控電機控制原理如圖2所示，即：轉子電阻（3）由裝在轉軸上的離心開關（2）根據電機的轉速進行自動控制。轉子電阻（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，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）在電機轉速接近額定轉速時，由離心開關（2）自動短接，以減少電機在轉子附加電阻（3）上的功率消耗，提高電機的效率。
離心開關的結構如圖（3）所示，它是由動觸頭（11）、靜觸頭（12）、彈簧（14）、慣性快（15）和聯桿（18）等元件構成。它的動作原理是根據離心力F=mω2r和彈簧的彈力F=KS制成的。離心開關動作的轉速，可以通過改變離心開關彈簧（14）的彈力系數K和行程S、慣性塊（15）質量m的大小和慣性塊（15）與軸心的距離r等參數進行調整。離心開關（2）在轉盤（9）上的分布應是對稱的，以減少電機的振動。
無刷自控電機由于只需一套轉子電阻（3）、一套離心開關（2）、一個定子繞組（5）和一個轉子繞組（4）就能實現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子線圈中，增加了電機的啟動轉矩和減少了電機的啟動電流；電機轉速接近額定轉速（正常運行）時，轉子附加電阻（3）又全部由離心開關（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，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明專利（專利號為：031128092）。無刷自控電機軟啟動器的結構如圖4所示，它是為大中型電機啟動而設計的。它的控制原理與繞線電機液態電阻起動柜相當，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4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。
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，會產生電化學腐蝕，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，由于電解液旋轉速度滯后電機轉軸速度，當排氣閥打開后，液體會因轉速未達到“離心”狀態，液體會從排氣孔噴出。3、大型電機如啟動失敗（堵轉），會產生數千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無法及時排出產生的大量蒸汽，會發生爆炸（已在用戶手中出現過一次爆炸現象，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構如圖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)相鄰面均設有(柔性)石墨板；靜極板(7)與接線柱(9)聯接，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）和導軌（11）構成，雙輪和軸承聯成一體，軸承外側與導軌滾動聯接，雙輪與動極板滾動聯接。導軌由一個近似于直角三角形的鋼板構成，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，隨著電機轉速的升高，雙輪和軸承產生的離心力逐步升高，通過導軌、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、閥芯等構成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤內側，通過閥簧使閥門關閉；波紋座、波紋管、波紋芯、波紋簧、波紋蓋等構成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤外側，之間通過杠桿、支點聯接。當電機啟動后，如啟動器內部壓力高于設定壓力，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，隨著電機轉速的升高，在離心力的作用下，電解液外圓側的壓力會升高，因波紋管(24)安裝在電解液外圓側，當電機轉速達到設定值時，也會使閥門打開。
防爆膜片（10）由膜座、膜蓋和膜片構成，當起動器內部壓力高于防爆膜片設定壓力時，膜片會破裂，將起動器內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，使得電機轉子開路，電機轉子電流降到零，通過電機的電流只有定子空載電流，保護了電機的安全。
本發明與現有技術相比具有以下優勢：1、動極板(4)與靜極板(7)相鄰面均設有(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生的電腐蝕現象，延長了啟動器的使用壽命。2、使用波紋管(24)感應電解液壓力和轉速，避免慣性塊控制由于電解液旋轉速度滯后電機轉軸速度，而發生的噴液現象，同時將安全和排氣兩種閥合為一體。3、大型電機如啟動失敗（堵轉），會產生數千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無法及時排出產生的大量蒸汽，會發生爆炸的現象。增設防爆膜片(10)，就有效防止上述現象的發生，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、軸承和導軌構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構和成本。5、導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，極板返回的轉速明顯低于短接轉速，增加了極板短接壓力，避免了極板跳躍現象發生。6、使用石墨極板，徹底避免了金屬極板的熔焊現象的發生。
后記
無刷自控電機軟啟動器于2003年通過了江西電機產品鑒定站性能鑒定，2004年通過了浙江省2004年度首批高新產品鑒定，同時已獲得了一項發明專利、兩項實用新型專利，目前已有數千臺產品在全國使用，受到了用戶的好評。但作為一個將電氣控制、機械設計和電化學技術有機地結合在一起的原創產品，它的不足之處在產品的初期很難初發現，但隨著近七年的使用，各種問題和缺陷逐步顯現。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上發明的，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，不但發現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良產品。同時，也希望與對本技術有興趣的讀者進行技術交流與探索。
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計所主任工程師，中國石油化工裝備協會電氣專業委員會電氣專家委員，已申請專利七項，發表論文十余篇。
聯系方式
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