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.無刷自控電機軟啟動器簡介 無刷自控電機軟啟動器就是一種利用安裝在繞線式異步電機轉子上，利用電機啟動時產生的離心力，自動控制串入轉子回路附加電阻的大小，達到增加電機啟動轉矩，減少電機啟動電流目的軟啟動器。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埸合。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： 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。 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到1/33（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風機采用不同的電機拖動系統為例）： 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<