無刷自控電機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢解析
2003/11/24 0:00:00
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<







提交
查看更多評論
其他資訊
無刷自控電機(jī)軟起動器 原理與應(yīng)用
無刷自控電機(jī)軟起動器
無刷自控電機(jī)在抽油機(jī)上的應(yīng)用
無刷自控電機(jī)軟起動器