摘要： 本文先從普通異步電動機(jī)過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩造成的危害出發(fā)，說明大型電機(jī)的啟動應(yīng)考慮降低啟動電流、增加啟動轉(zhuǎn)矩措施的必要性。再通過一個(gè)具體的電機(jī)拖動系統(tǒng)，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(fā)，說明無刷自控電機(jī)代替普通電機(jī)的必然性.。 關(guān)鍵詞： 啟動轉(zhuǎn)矩 啟動電流 無刷自控電機(jī) 鼠籠電機(jī) 繞線電機(jī) 1.無刷自控電機(jī)軟啟動器簡介 無刷自控電機(jī)軟啟動器就是一種利用安裝在繞線式異步電機(jī)轉(zhuǎn)子上，利用電機(jī)啟動時(shí)產(chǎn)生的離心力，自動控制串入轉(zhuǎn)子回路附加電阻的大小，達(dá)到增加電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩，減少電機(jī)啟動電流目的軟啟動器。克服了鼠籠式異步電動機(jī)啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩小；繞線式異步電動機(jī)裝有碳刷、滑環(huán)和復(fù)雜的啟動裝置等缺點(diǎn)；而保留了鼠籠電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量小；繞線電機(jī)啟動電流小，啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)的電動機(jī)。它的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。無刷自控電機(jī)能根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動控制串入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻大小，達(dá)到增加電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩，減少電機(jī)啟動電流和實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動無刷運(yùn)行的目的。它不但能使異步電動機(jī)啟動的電流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie時(shí)，電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩（0.4--1.6Me）和啟動時(shí)間保持不變，還能使電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩（1.6--3.1Me）啟動。它可以代替鼠籠電機(jī)及其啟動裝置；繞線電機(jī)的滑環(huán)、碳刷及其啟動裝置。它可利用普通繞線式異步電動機(jī)，去掉滑環(huán)、碳刷及啟動裝置，并更換成無刷自控電動機(jī)啟動器后獲得。 2.過大的啟動電流和過小的啟動轉(zhuǎn)矩造成的危害 普通異步電動機(jī)啟動電流達(dá)到額定電流的5--7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4--1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和過長的啟動時(shí)間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。 當(dāng)電機(jī)啟動電流達(dá)到額定電流的6--7倍時(shí)，線圈發(fā)熱量是電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的36--49倍，產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)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(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定子線圈和轉(zhuǎn)子銅條（特別是轉(zhuǎn)子常利用趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，降低啟動電流，轉(zhuǎn)子銅條在啟動時(shí)，表面的溫度達(dá)到350℃以上）的使用壽命。如柳鋼公司燒結(jié)廠29m2燒結(jié)主風(fēng)機(jī)電機(jī)為兩臺1000KW鼠籠電機(jī)，全壓直接啟動，1997年一年內(nèi)累計(jì)燒毀電機(jī)六次。1998年開始采用降壓啟動后，到2002年止，已累計(jì)運(yùn)行4年，再沒有出現(xiàn)一次電機(jī)燒毀事故。正因如此，有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示：電機(jī)直接啟動時(shí)間不及電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的0.1%，但故障率占到電機(jī)全部故障率的30%以上。 電機(jī)的供電裝置一般是按電機(jī)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(fā)熱，觸頭周圍絕緣老化，也是供電裝置損壞的一個(gè)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(jī)容量只有130kw，完全具備電機(jī)直接啟動的條件，但過大的啟動電流，在2001年內(nèi)，三次造成低壓開關(guān)柜短路，生產(chǎn)裝置三次停產(chǎn)檢修，給該廠造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。 由于上述一些原因，大容量的電動機(jī)在電網(wǎng)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(jī)的故障率。但啟動裝置過高的價(jià)格（特別是中高壓電動機(jī)，軟啟動裝置+啟動開關(guān)柜等的價(jià)格是電機(jī)價(jià)格的1.5倍以上）、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不但增加了用戶的成本和降低了電力拖動系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩與啟動電流的平方成正比，當(dāng)采用降低定子電壓啟動方式時(shí)，如啟動電流由6Ie降到了3Ie時(shí)，電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩將減少4倍，電機(jī)啟動時(shí)間增大5倍以上。正因如此，對啟動轉(zhuǎn)矩要求比較大、啟動時(shí)間要求比較短的電機(jī)，只能利用繞線式電機(jī)代替鼠籠式電機(jī)。 繞線式電機(jī)因其有碳刷、滑環(huán)及啟動控制系統(tǒng)，無法用在對拖動系統(tǒng)可靠性及免維護(hù)性要求比較高的埸合。如油田廣泛使用的抽油機(jī)，需要大啟動轉(zhuǎn)矩電機(jī)，但因它們?nèi)堪惭b在野外，數(shù)量具大（年產(chǎn)原油18萬噸的河南油田，其抽油機(jī)電機(jī)數(shù)量就超過2千臺、大慶油田超過5萬臺），為提高電機(jī)拖動的可靠性，不得不采用鼠籠電機(jī)；同時(shí)，為了增加啟動轉(zhuǎn)矩，又不得不增加電機(jī)容量。使得抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載率不及電機(jī)額定功率的30%。它不但增加了電力拖動系統(tǒng)成本、還降低了電機(jī)的固有效率，浪費(fèi)了大量的能源。 為了說明無刷自控電機(jī)的優(yōu)越性，現(xiàn)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(jī)拖動一臺主風(fēng)機(jī)和一臺1400KW的繞線式電動機(jī)拖動相同的負(fù)載，并均配置水電阻軟啟動器（水電阻啟動器的價(jià)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(shè)計(jì)方法、啟動性能和拖動系統(tǒng)成本。 3.鼠籠電機(jī)及其拖動系統(tǒng) 該拖動系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，它一般由運(yùn)行高壓開關(guān)柜DL1、啟動高壓開關(guān)柜DL2、隔離開關(guān)K柜和水電阻R及其控制裝置等構(gòu)成。其中水電阻R及其控制裝置，就是在一個(gè)裝滿導(dǎo)電液體如鹽水中，插入兩個(gè)電極，形成電阻。其電阻的大小與電極的距離成正比，調(diào)節(jié)電極板的距離，就能調(diào)整這個(gè)電阻的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)定子電流的目的。將這樣的可變電阻串入電機(jī)的定子回路，就可以平滑地啟動電動機(jī)。 電機(jī)定子線圈串入三相對稱電阻后： 以該風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥門全關(guān)閉后啟動電機(jī)，并設(shè)電機(jī)啟動時(shí)的加速度力矩為10%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，可作出表（標(biāo)么值）1： 在此狀態(tài)下，電機(jī)啟動時(shí)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(jī)啟動完畢后，還需由操作工（或時(shí)間繼電器）合上運(yùn)行高壓開關(guān)DL1，斷開啟動開關(guān)DL2和K后，才能開啟風(fēng)機(jī)負(fù)載閥門，否則將威脅電機(jī)和啟動裝置的安全運(yùn)行。 該拖動系統(tǒng)電機(jī)價(jià)格約為17萬元、啟動柜及隔離開關(guān)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(jì)，加上6個(gè)電纜頭，約需4.5萬元，如不計(jì)基建[變阻器+啟動及隔離開關(guān)柜體積約為：（1.7+1.2）×1.2×2.8 m3]費(fèi)用，總計(jì)費(fèi)仍將高達(dá)45.5萬元（不計(jì)電機(jī)為28.5萬元）。 4.繞線式電動機(jī)及其拖動系統(tǒng) 繞線式電機(jī)拖動系統(tǒng)如圖3所示：電機(jī)啟動時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路串一個(gè)電阻R，啟動結(jié)束后，將串入的轉(zhuǎn)子電阻短路。繞線式電機(jī)水電阻變化原理同鼠籠電機(jī)一樣，所不同的是，水電阻串入電機(jī)的轉(zhuǎn)子回路，它在降低電機(jī)啟動電流的同時(shí)，增加電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。繞線式電機(jī)轉(zhuǎn)子串入三相對稱電阻后: 上述公式與鼠籠電機(jī)最大的區(qū)別在于：鼠籠電機(jī)啟動電阻只增加了啟動轉(zhuǎn)矩的分母，即它在減少了電機(jī)的啟動電流的同時(shí)，減少了電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩；并且，電機(jī)在啟動過程中是一個(gè)感性負(fù)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(jī)，正好克服了上述不足。當(dāng)Rst》（x1+x2）時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與Rst/S成反比，電流與Rst/S成反比；轉(zhuǎn)子輸出電壓與轉(zhuǎn)差率S成正比。根據(jù)這一關(guān)系，在風(fēng)機(jī)啟動阻力轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上，加上電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩就是電機(jī)以額定轉(zhuǎn)矩100%加速啟動，并可制出電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)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(jī)在啟動電流比鼠籠電機(jī)減少了1/2倍的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩增加4倍以上，啟動時(shí)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(tǒng)：繞線電機(jī)約需23萬元、三相變阻器＋短路開關(guān)柜約需10萬元；需增加三根3×240mm2低壓電纜作為轉(zhuǎn)子電流引出線，每根長度按30米計(jì)，加上6個(gè)電纜頭，約需2.5萬元，在不計(jì)基建費(fèi)用的情況下，總計(jì)費(fèi)用將達(dá)到35.5萬元。 5.無刷自控電機(jī)及其實(shí)現(xiàn)方法 無刷自控電機(jī)拖動系統(tǒng)如圖4所示，它無需增加啟動控制柜和復(fù)雜的控制裝置，只需一個(gè)運(yùn)行開關(guān)柜，就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動。它的主要電氣性能同繞線式異步電動機(jī)加裝水電阻式軟啟動器相當(dāng)，所不同的是：電機(jī)的啟動過程中，串入轉(zhuǎn)子內(nèi)的啟動電阻，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，其阻值按電機(jī)轉(zhuǎn)速平方規(guī)律自動減少，并在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速90%左右時(shí)，啟動電阻降為零。它保證了啟動裝置與電機(jī)啟動過程完全同步，并克服了繞線式電機(jī)滑環(huán)和碳刷、鼠籠電機(jī)復(fù)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(gè)方面實(shí)現(xiàn)（假設(shè)已有鼠籠電機(jī)直接啟動系統(tǒng)） A.購買一臺無刷自控電機(jī)，取代現(xiàn)有鼠籠電機(jī)即可。該電機(jī)是按加裝無刷自控電機(jī)啟動器設(shè)計(jì)，去掉了繞線電機(jī)滑環(huán)、碳刷及防止碳粉入侵電機(jī)繞組等裝置。它不但降低了電機(jī)的制造成本（電機(jī)+啟動裝置約25萬元），還提高了電機(jī)的效率約0.1%左右。 B.購買一臺繞線式異步電動機(jī)（約23萬元）和一套無刷自控電機(jī)軟啟動器（約2.5萬元）,去掉繞線式異步電動機(jī)內(nèi)的碳刷和滑環(huán)，安裝無刷自控電機(jī)軟啟動器，就變成了一臺無刷自控電機(jī)。 C.保留電機(jī)定子及其附屬裝置不變，將原鼠籠轉(zhuǎn)子更換成無刷自控電機(jī)轉(zhuǎn)子（全部改造費(fèi)約需17萬元）即可。 6.結(jié)論 從上述分析中，可以得出下表（以1400kw風(fēng)機(jī)采用不同的電機(jī)拖動系統(tǒng)為例）： 無刷自控電還克服了繞線式異步電機(jī)及其啟動裝置：A.繞線式電機(jī)由于存在著滑環(huán)和碳刷，增加了電機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作量和電機(jī)的故障率，對連續(xù)自動工作和防爆的場合（如石<