無刷自控電機代替
普通電機的優點和方法
翟佑華 溫州市曙光起動設備有限公司(325604)摘要：本文先從普通異步電動機過大的啟動電流、過小的啟動轉矩造成的危害出發，說明大型電機的啟動應考慮降低啟動電流、增加啟動轉矩措施的必要性。再通過一個具體的電機拖動系統，選用不同的拖動方法，獲得不同的性能，需要不同的成本出發，說明無刷自控電機代替普通電機的必然性.。
關鍵詞：啟動轉矩 啟動電流 無刷自控電機 鼠籠電機 繞線電機1. 無刷自控異步電機的簡介
無刷自控電機就是一種克服了鼠籠式異步電動機啟動電流大，啟動轉矩小；繞線式異步電動機裝有碳刷、滑環和復雜的啟動裝置等缺點；而保留了鼠籠電動機結構簡單、維護工作量小；繞線電機啟動電流小，啟動轉矩大等優點的電動機。它的典型結構如圖1所示。無刷自控電機能根據電機轉速，自動控制串入電機轉子內的電阻大小，達到增加電機啟動轉矩，減少電機啟動電流和實現繞線式異步電動無刷運行的目的。它不但能使異步電動機啟動的電流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie時，電機的啟動轉矩（0.4--1.6Me）和啟動時間保持不變，還能使電機以最大轉矩（1.6--3.1Me）啟動。它可以代替鼠籠電機及其啟動裝置；繞線電機的滑環、碳刷及其啟動裝置。它可利用普通繞線式異步電動機，去掉滑環、碳刷及啟動裝置，并更換成無刷自控電動機啟動器后獲得。
2. 過大的啟動電流和過小的啟動轉矩造成的危害
普通異步電動機啟動電流達到額定電流的5--7倍，而啟動轉矩只有額定轉矩的0.4--1.6倍。它在電網條件（電機啟動時的電網壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動。但過大的啟動電流、過小的啟動轉矩和過長的啟動時間給電機和電網造成了極大的危害。
當電機啟動電流達到額定電流的6--7倍時，線圈發熱量是電機在正常運行時的36--49倍，產生的電磁力同樣達到了36--49倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力，產生了極大的破壞力，縮短了定子線圈和轉子銅條（特別是轉子常利用趨膚效應現象，降低啟動電流，轉子銅條在啟動時，表面的溫度達到350℃以上）的使用壽命。如柳鋼公司燒結廠29m2燒結主風機電機為兩臺1000KW鼠籠電機，全壓直接啟動，1997年一年內累計燒毀電機六次。1998年開始采用降壓啟動后，到2002年止，已累計運行4年，再沒有出現一次電機燒毀事故。正因如此，有關統計顯示：電機直接啟動時間不及電機運行時間的0.1%，但故障率占到電機全部故障率的30%以上。
電機的供電裝置一般是按電機額定電流選擇的，過大的啟動電流往往造成供電裝置的觸頭發熱，觸頭周圍絕緣老化，也是供電裝置損壞的一個主要原因。如南陽煉油廠丙烷裝置，其供電變壓器容量為800kvA，而最大電機容量只有130kw，完全具備電機直接啟動的條件，但過大的啟動電流，在2001年內，三次造成低壓開關柜短路，生產裝置三次停產檢修，給該廠造成了極大的經濟損失。
由于上述一些原因，大容量的電動機在電網和工藝條件均滿足的情況下，也常采取減少啟動電流的措施，以提高供電的可靠性和降低電機的故障率。但啟動裝置過高的價格（特別是中高壓電動機，軟啟動裝置+啟動開關柜等的價格是電機價格的1.5倍以上）、復雜的結構，不但增加了用戶的成本和降低了電力拖動系統的可靠性。同時，電機啟動轉矩與啟動電流的平方成正比，當采用降低定子電壓啟動方式時，如啟動電流由6Ie降到了3Ie時，電機啟動轉矩將減少4倍，電機啟動時間增大5倍以上。正因如此，對啟動轉矩要求比較大、啟動時間要求比較短的電機，只能利用繞線式電機代替鼠籠式電機。
繞線式電機因其有碳刷、滑環及啟動控制系統，無法用在對拖動系統可靠性及免維護性要求比較高的場合。如油田廣泛使用的抽油機，需要大啟動轉矩電機，但因它們全部安裝在野外，數量具大（年產原油18萬噸的河南油田，其抽油機電機數量就超過2千臺、大慶油田超過5萬臺），為提高電機拖動的可靠性，不得不采用鼠籠電機；同時，為了增加啟動轉矩，又不得不增加電機容量。使得抽油機電機的平均負載率不及電機額定功率的30%。它不但增加了電力拖動系統成本、還降低了電機的固有效率，浪費了大量的能源。
為了說明無刷自控電機的優越性，現以一臺1400KW、ne =1488r/min、6KV、Ie =154.A、Ist/Ie=6.38、Mmax/Me=2.3；的鼠籠型電動機拖動一臺主風機和一臺1400KW的繞線式電動機拖動相同的負載，并均配置水電阻軟啟動器（水電阻啟動器的價格只及可控硅、磁飽和電抗器軟啟動器的1/2）為例，說明其設計方法、啟動性能和拖動系統成本。
3. 鼠籠電機及其拖動系統
該拖動系統的構成如圖2所示，它一般由運行高壓開關柜DL1、啟動高壓開關柜DL2、隔離開關K柜和水電阻R及其控制裝置等構成。其中水電阻R及其控制裝置，就是在一個裝滿導電液體如鹽水中，插入兩個電極，形成電阻。其電阻的大小與電極的距離成正比，調節電極板的距離，就能調整這個電阻的大小，達到調節定子電流的目的。將這樣的可變電阻串入電機的定子回路，就可以平滑地啟動電動機。
電機定子線圈串入三相對稱電阻后：
以該風機進風閥門全關閉后啟動電機，并設電機啟動時的加速度力矩為10%電機額定轉矩，可作出表（標么值）1：
轉差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
轉速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
全電壓轉矩 1.17 1.21 1.25 1.30 1.35 1.40 1.42 1.53 1.75 2.34 1.67 1.27 1.47
全電壓下電流 6.38 6.30 6.21 6.10 5.96 5.80 5.61 5.38 5.09 4.53 2.57 1.70 5.14
風機空載轉矩 0.11 0.09 0.08 0.08 0.08 0.10 0.12 0.15 0.18 0.23 0.26 0.31 0.15
軟啟動電流 2.70 2.49 2.35 2.28 2.19 2.17 2.17 2.16 2.04 1.70 1.19 0.96 2.03
電機電壓 0.42 0.40 0.38 0.37 0.37 0.38 0.39 0.40 0.40 0.38 0.46 0.56 0.41
電阻上電壓降 0.89 0.89 0.88 0.88 0.88 0.87 0.86 0.85 0.82 0.75 0.64 0.44 0.80
電機輸出轉矩 0.21 0.19 0.18 0.18 0.18 0.20 0.21 0.25 0.28 0.33 0.36 0.40 0.25
水電阻功率 2.40 2.20 2.08 2.00 1.92 1.89 1.87 1.83 1.68 1.28 0.77 0.43 1.70
在此狀態下，電機啟動時間為69秒，消耗的平均電功率為2300kw、消耗的電能約44kwh（能使475kg水從20℃升到期100℃）。該電機啟動完畢后，還需由操作工（或時間繼電器）合上運行高壓開關DL1，斷開啟動開關DL2和K后，才能開啟風機負載閥門，否則將威脅電機和啟動裝置的安全運行。
該拖動系統電機價格約為17萬元、啟動柜及隔離開關柜約12萬元、三相變阻器約需12萬元；增加三根電纜，每根按30米計，加上6個電纜頭，約需4.5萬元，如不計基建[變阻器+啟動及隔離開關柜體積約為：（1.7+1.2）×1.2×2.8 m3]費用，總計費仍將高達45.5萬元（不計電機為28.5萬元）。
4. 繞線式電動機及其拖動系統
繞線式電機拖動系統如圖3所示：電機啟動時，在轉子回路串一個電阻R，啟動結束后，將串入的轉子電阻短路。繞線式電機水電阻變化原理同鼠籠電機一樣，所不同的是，水電阻串入電機的轉子回路，它在降低電機啟動電流的同時，增加電機的啟動轉矩。繞線式電機轉子串入三相對稱電阻后:上述公式與鼠籠電機最大的區別在于：鼠籠電機啟動電阻只增加了啟動轉矩的分母，即它在減少了電機的啟動電流的同時，減少了電機的啟動轉矩；并且，電機在啟動過程中是一個感性負載，電源電壓全部加在啟動電阻上，增加了啟動電阻的功率消耗。繞線式電機，正好克服了上述不足。當Rst》（x1+x2）時，電機的轉矩與Rst/S成反比，電流與Rst/S成反比；轉子輸出電壓與轉差率S成正比。根據這一關系，在風機啟動阻力轉矩的基礎上，加上電機的額定轉矩就是電機以額定轉矩100%加速啟動，并可制出電機的轉速、轉矩、電流和電阻上的功率損耗表2。
轉差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
轉速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
電機電流 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
電阻上電壓降 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 0.46
電機輸出轉矩 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
水電阻功率 1.11 0.98 0.86 0.76 0.65 0.55 0.45 0.34 0.24 0.12 0.06 0.03 0.51
從表2可以清楚的看出，繞線式電動機在啟動電流比鼠籠電機減少了近1/2倍的情況下，啟動轉矩增加4倍以上，啟動時間減少到1/10倍(6.9秒)，在啟動電阻上消耗的電能減少了33倍（1.3Kw）左右（只就使14.4kg水從20℃加熱到100℃）。
該拖動系統：繞線電機約需23萬元、三相變阻器＋短路開關柜約需10萬元；需增加三根3×240mm2低壓電纜作為轉子電流引出線，每根長度按30米計，加上6個電纜頭，約需2.5萬元，在不計基建費用的情況下，總計費用將達到35.5萬元。
5. 無刷自控電機及其實現方法
無刷自控電機拖動系統如圖4所示，它無需增加啟動控制柜和復雜的控制裝置，只需一個運行開關柜，就可實現電機的軟啟動。它的主要電氣性能同繞線式異步電動機加裝水電阻式軟啟動器相當，所不同的是：電機的啟動過程中，串入轉子內的啟動電阻，隨著電機轉速的升高，其阻值按電機轉速平方規律自動減少，并在電機轉速達到額定轉速90%左右時，啟動電阻降為零。它保證了啟動裝置與電機啟動過程完全同步，并克服了繞線式電機滑環和碳刷、鼠籠電機復雜的啟動裝置和過高的成本造成的危害。
它可以從以下三個方面實現（假設已有鼠籠電機直接啟動系統）
A. 購買一臺無刷自控電機，取代現有鼠籠電機即可。該電機是按加裝無刷自控電機啟動器設計，去掉了繞線電機滑環、碳刷及防止碳粉入侵電機繞組等裝置。它不但降低了電機的制造成本（電機+啟動裝置約25萬元），還提高了電機的效率約0.1%左右。
B. 購買一臺繞線式異步電動機（約23萬元）和一套無刷自控電機軟啟動器（約2.5萬元）,去掉繞線式異步電動機內的碳刷和滑環，安裝無刷自控電機軟啟動器，就變成了一臺無刷自控電機。
C. 保留電機定子及其附屬裝置不變，將原鼠籠轉子更換成無刷自控電機轉子（全部改造費約需17萬元）即可。
6. 結論
從上述分析中，可以得出下表（以1400kw風機拖動系統為例）：
項目 鼠籠電機+軟啟動 繞線電機+軟啟動 無刷自控電機
啟動電流(啟動電流/電機額定電流) 2.7Ie 1.11Ie 1.11Ie
啟動轉矩(啟動轉矩/電機額定轉矩) 0.21Me 1.11Me 1.11Me
啟動時間(S) 69 6.9 6.9
啟動電阻消耗功率(kwh) 44 1.33 1.33
電機維護工作量 小 大 中
啟動裝置維護工作量 大 中 無
啟動裝置體積(m3) (1.7+1.2)×1.2×2.8 1.4×1.2×2.2 0
電機參考價格(萬元) 17 23 25
啟動器+啟動開關柜+啟動電纜價格(萬元) 28.5 12.5 0
拖動系統總價格(萬元) 45.5 35.5 25
無刷自控電還克服了繞線式異步電機及其啟動裝置：A.繞線式電機由于存在著滑環和碳刷，增加了電機運行維護工作量和電機的故障率，對連續自動工作和防爆的場合（如石化企業）限制了它的應用。B.電機的啟動過程，同鼠籠電機一樣，還是間接控制（一般用時間繼電器）。很難保證啟動過程與電機同步。C.電刷，轉子引出電纜及轉子短接裝置要消耗一定的電能，降低了電機的固有效率。
正因如此，無刷自控電機這項專利自2002年9月25日由中國知識產權局公開后，2002年11月28日就被溫州曙光啟動設備有限公司買斷無刷自控電機啟動器生產、銷售權；2002年12月12日通過了“江西省電機產品檢測站”的性能鑒定；2003年1月15日，在上海市的生命工程--480KW防洪排灌電機上一次試用成功，并將作為2003年4月，上海水泵博覽會上的重點推薦產品。
無刷自控電機以其優良的啟動性能，低廉的價格，不但會占領部分繞線式異步電動機及其啟動裝置的市場份額，還會替代部分鼠籠電機及其啟動裝置。參考資料：
1. 《中壓交流電動機使用固態軟啟動器與液體變阻器起動的比較》 作者：厲無咎 《中國化工裝備》雜志2002年增刊（第三屆全國石油和化學工業電氣技術交流研討會論文集）
2. 《電動機磁控軟啟動》 作者：高越農 《中國化工裝備》雜志2002年增刊（第三屆全國石油和化學工業電氣技術交流研討會論文集）
3. 《中壓（3~10KV）電動機啟動方法的分析與比較》 作者：李咸全 遲連道等 《電氣世界》雜志，2002年第11期
4. 《電機拖動自動控制》 張永豐主編 機械工業出版社，1978年
5. 《無刷自控繞線式異步電機的研制》 作者：翟佑華 《電工技術》雜志，2002年第12期作者簡介：
翟佑華：電氣工程師，中國化工裝備協會儀表電氣專家委員會電氣專家委員，已有五項國家專利（僅無刷自控電機及其啟動裝置就有三項專利），公開發表10篇學術論文，獲局、處兩級各種科技獎勵十余次，現主要從事無刷自控電機的推廣應用工作。
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