|
無(wú)刷自控軟起動(dòng)器起源及發(fā)展
翟佑華付 軍
河南油田南陽(yáng)石蠟精細(xì)化工廠 河南油田黨政辦(473132)
摘要：本文介紹了人們?yōu)閷?shí)現(xiàn)繞線電機(jī)無(wú)刷運(yùn)行，所采取的措施和步驟及每一個(gè)步驟所帶來(lái)的技術(shù)進(jìn)步。特別是無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的生產(chǎn)和使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的不足及解決的辦法，使讀者對(duì)無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器有一個(gè)全面的了解和認(rèn)識(shí)。
關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器 起動(dòng)電流 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 起動(dòng)比1 無(wú)刷自控 繞線電機(jī)
背景技術(shù)
三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)子可外接電阻、頻敏變阻器和反電勢(shì)。它不但能限制電機(jī)的起動(dòng)電流，還能增加電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)時(shí)的功率因素，使電機(jī)起動(dòng)比接近1（轉(zhuǎn)子串電阻和反電勢(shì)時(shí)，起動(dòng)比接近1，串頻敏變阻器時(shí)，起動(dòng)比最高可以達(dá)到0.55，而普通的鼠籠型電機(jī)起動(dòng)比小于0.2）。因此，三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)機(jī)在大容量、大轉(zhuǎn)矩的機(jī)械設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。但：（1）三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)機(jī)因需將轉(zhuǎn)子電流通過(guò)電刷、滑環(huán)、電纜等引到地面控制柜，控制設(shè)備復(fù)雜，運(yùn)行維護(hù)成本高；（2）碳刷、滑環(huán)、聯(lián)接轉(zhuǎn)子回路的電纜及短接裝置需消耗大量的電能，降低了電機(jī)的效率；（3）電刷與滑環(huán)間磨下的碳粉會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣的降低，引發(fā)電動(dòng)機(jī)故障；電刷的磨損、壓力彈簧銹蝕，引起電刷與滑環(huán)間打火造成拖動(dòng)系統(tǒng)可靠性降低，運(yùn)行維護(hù)工作量增大。因此，自三相繞線式轉(zhuǎn)子交流異步電動(dòng)機(jī)誕生開(kāi)始，人們就一直探索無(wú)刷運(yùn)行。
1．深槽或雙鼠籠電機(jī)
從三相異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可以知道，適當(dāng)增加轉(zhuǎn)子電阻，可以改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。在普通鼠籠電機(jī)中，轉(zhuǎn)子電流回路是閉合的，無(wú)法串入電阻。人們從轉(zhuǎn)子槽形入手，設(shè)法利用轉(zhuǎn)子電流，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，頻率較高，深槽部分漏磁通多，阻抗大，出現(xiàn)啟動(dòng)電流較小的“集膚效應(yīng)”現(xiàn)象，制成深槽或雙鼠籠電機(jī)，來(lái)達(dá)到改善電機(jī)啟動(dòng)性能的目的。由于它人為地增加了電機(jī)轉(zhuǎn)子漏抗和轉(zhuǎn)子電阻，電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、正常運(yùn)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(jī)是靠犧牲電機(jī)的運(yùn)行性能來(lái)?yè)Q取電機(jī)的啟動(dòng)性能，正因如此，它一般只用在對(duì)電氣可靠性要求較高、工作環(huán)境較惡劣、單機(jī)容量較少的場(chǎng)合，如油田的抽油機(jī)等。
2．雙繞組電機(jī)
《中小型電機(jī)》雜志2001年第四期64頁(yè)上公開(kāi)了一種“無(wú)刷雙繞組三相異步電動(dòng)機(jī)”（簡(jiǎn)稱(chēng)：雙繞組電機(jī)）。它是利用兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組的方法實(shí)現(xiàn)無(wú)刷運(yùn)行。兩套轉(zhuǎn)子繞組并聯(lián)后與裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)電阻相聯(lián)接，通過(guò)改變兩套定子繞組輸入電源的相位，來(lái)改變轉(zhuǎn)子電阻的端電壓，達(dá)到增加電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、減少啟動(dòng)電流；根除繞線電機(jī)碳粉、電火花引起的繞組匝間短路、擊穿和集電環(huán)燒損等故障的目的。但該電機(jī)存在以下不足之處：
A、有兩套定子繞組和兩套轉(zhuǎn)子繞組，增加了電機(jī)的體積、材料消耗和人工成本；
B、控制電路復(fù)雜，增加了電機(jī)用戶(hù)的成本和維護(hù)工作量；
C、開(kāi)發(fā)該電機(jī)需重新設(shè)計(jì)、制造電機(jī)外殼和轉(zhuǎn)軸，增加了電機(jī)的開(kāi)發(fā)成本；
D、對(duì)外接線有9根，可以組成幾十種接線方式，如有一種不按規(guī)定接線，就會(huì)造成電機(jī)不能正常工作，甚至短路等損壞電機(jī)事故；
E、人工通過(guò)控制開(kāi)關(guān)改變啟動(dòng)過(guò)程中的電機(jī)輸入電源的相位，達(dá)到減少啟動(dòng)電流、增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的目的。由于電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間很短（約3-10秒），在這個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)，由人工通過(guò)控制開(kāi)關(guān)切換電機(jī)的六個(gè)檔位，很難保證控制狀態(tài)處于最佳：即很難保證在啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)電流處于最小、轉(zhuǎn)矩處于最大的目的。
3．無(wú)刷電機(jī)
申請(qǐng)?zhí)枮?9115551.3、名為“無(wú)刷繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)電機(jī)”（簡(jiǎn)稱(chēng)：無(wú)刷電機(jī)）的發(fā)明專(zhuān)利；專(zhuān)利號(hào)為：ZL98224515.7，名為“無(wú)刷無(wú)環(huán)啟動(dòng)器”的實(shí)用新型專(zhuān)利，均采用在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝一個(gè)頻敏變阻器的方法，改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。它雖能增加電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少啟動(dòng)電流；根除繞線電機(jī)碳粉、電火花引起的繞組匝間短路、擊穿和集電環(huán)燒損等故障。但由于電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子電流要通過(guò)頻敏電阻，從而降低了電機(jī)的效率和增加了轉(zhuǎn)子頻敏電阻的發(fā)熱量。頻敏變阻器是一個(gè)電感，起動(dòng)比較小，同時(shí)，為減少這個(gè)發(fā)熱量，和照顧電機(jī)的起動(dòng)力矩，電機(jī)的起動(dòng)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(jī)相當(dāng)，所不同的只是一個(gè)利用“集膚效應(yīng)”且在轉(zhuǎn)子內(nèi)部減少啟動(dòng)電流，另一個(gè)是增加一套頻敏變阻器且放在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，且均以犧牲電機(jī)的效率為前提，不能在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛地應(yīng)用。
4．無(wú)刷自控繞線式異步電動(dòng)機(jī) 2001年，作者成功地發(fā)明發(fā)一種無(wú)刷自控繞線式異步電動(dòng)機(jī)。并獲得專(zhuān)利權(quán)（專(zhuān)利號(hào)：ZL01277402.2）。它的任務(wù)是克服上述幾種方法的不足，設(shè)計(jì)出一種高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、高效率和低啟動(dòng)電流的交流異步電動(dòng)機(jī)。
無(wú)刷自控電機(jī)的主要技術(shù)方案是：電機(jī)組成如圖1所示，它的基本結(jié)構(gòu)與普通繞線電機(jī)相同；不同之處，只是在原電機(jī)裝滑環(huán)的主軸輸出端，去掉滑環(huán)、電刷及刷架，更換成可旋轉(zhuǎn)的三相電阻（3）和離心開(kāi)關(guān)（2）。
無(wú)刷自控電機(jī)控制原理如圖2所示，即：轉(zhuǎn)子電阻（3）由裝在轉(zhuǎn)軸上的離心開(kāi)關(guān)（2）根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制。轉(zhuǎn)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(dāng)增加電阻切換的檔數(shù)，改善電機(jī)的啟動(dòng)性能；如用頻敏電阻，只需一個(gè)檔位。全部附加電阻（3）在電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，由離心開(kāi)關(guān)（2）自動(dòng)短接，以減少電機(jī)在轉(zhuǎn)子附加電阻（3）上的功率消耗，提高電機(jī)的效率。
離心開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖（3）所示，它是由動(dòng)觸頭（11）、靜觸頭（12）、彈簧（14）、慣性快（15）和聯(lián)桿（18）等元件構(gòu)成。它的動(dòng)作原理是根據(jù)離心力F=mω2r和彈簧的彈力F=KS制成的。離心開(kāi)關(guān)動(dòng)作的轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)改變離心開(kāi)關(guān)彈簧（14）的彈力系數(shù)K和行程S、慣性塊（15）質(zhì)量m的大小和慣性塊（15）與軸心的距離r等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。離心開(kāi)關(guān)（2）在轉(zhuǎn)盤(pán)（9）上的分布應(yīng)是對(duì)稱(chēng)的，以減少電機(jī)的振動(dòng)。
無(wú)刷自控電機(jī)由于只需一套轉(zhuǎn)子電阻（3）、一套離心開(kāi)關(guān)（2）、一個(gè)定子繞組（5）和一個(gè)轉(zhuǎn)子繞組（4）就能實(shí)現(xiàn)繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)刷運(yùn)行。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，全部附加電阻均串入轉(zhuǎn)子線圈中，增加了電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和減少了電機(jī)的啟動(dòng)電流；電機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速（正常運(yùn)行）時(shí)，轉(zhuǎn)子附加電阻（3）又全部由離心開(kāi)關(guān)（2）短接，保證電機(jī)不因附加電阻而降低效率。它不但可用于新電機(jī)的開(kāi)發(fā)，還可用于舊電機(jī)的改造上。
但它存在以下不足：1、起動(dòng)電阻需多級(jí)短接才能保證電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能；2、大容量電機(jī)的離心開(kāi)關(guān)制造成本高，體積大；3、金屬電阻的熱容量小，體積大。因此，無(wú)法在大容量電機(jī)上應(yīng)用。
5.無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器
2003年，作者申請(qǐng)了無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器發(fā)明專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)為：031128092）。無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，它是為大中型電機(jī)啟動(dòng)而設(shè)計(jì)的。它的控制原理與繞線電機(jī)液態(tài)電阻起動(dòng)柜相當(dāng)，所不同的是，將起動(dòng)電阻直接安裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，利用電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力作為動(dòng)力，控制起動(dòng)電阻的大小，達(dá)到減少電機(jī)起動(dòng)電流、增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使繞線式異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)刷自控運(yùn)行的裝置。它主要由機(jī)殼、電解液、動(dòng)極板、施密特接觸裝置、彈簧、接線柱、安全閥、排氣閥等構(gòu)成。它的內(nèi)部原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，一方面，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，動(dòng)極板在離心力的作用下，逐步靠近機(jī)殼，串入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻成比例地減少，并在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，與外殼短接，電阻降為零；另一方面，動(dòng)極板與機(jī)殼間的水電阻，因通過(guò)電流而發(fā)熱，在水電阻負(fù)溫度特性的作用下，電阻也會(huì)逐步減少。在電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度兩方面的作用下，使電動(dòng)機(jī)以近似于恒定電流、恒定轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。
但它存在以下不足：1、沒(méi)有涉及極板電腐蝕問(wèn)題，金屬極板通過(guò)交流電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，從而縮短了無(wú)刷自控軟啟動(dòng)器的使用壽命。2、排氣閥是靠安裝在閥門(mén)上的慣性塊控制，由于電解液旋轉(zhuǎn)速度滯后電機(jī)轉(zhuǎn)軸速度，當(dāng)排氣閥打開(kāi)后，液體會(huì)因轉(zhuǎn)速未達(dá)到“離心”狀態(tài)，液體會(huì)從排氣孔噴出。3、大型電機(jī)如啟動(dòng)失�。ǘ罗D(zhuǎn)），會(huì)產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無(wú)法及時(shí)排出產(chǎn)生的大量蒸汽，會(huì)發(fā)生爆炸（已在用戶(hù)手中出現(xiàn)過(guò)一次爆炸現(xiàn)象，幸虧沒(méi)有傷著人）。
6.無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器
2008年，作者為克服無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器的不足，申請(qǐng)了無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)為：200820172688.7）。無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖5所示，它由圓柱型外殼(1)、彈簧(2)、動(dòng)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(dòng)短接裝置等構(gòu)成。動(dòng)極板(4)滑配在外殼(1)的中心立柱上，動(dòng)極板(4)與靜極板(7)相鄰面均設(shè)有(柔性)石墨板；靜極板(7)與接線柱(9)聯(lián)接，并通過(guò)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(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器中的短接裝置，由雙輪（13）、軸承（12）和導(dǎo)軌（11）構(gòu)成，雙輪和軸承聯(lián)成一體，軸承外側(cè)與導(dǎo)軌滾動(dòng)聯(lián)接，雙輪與動(dòng)極板滾動(dòng)聯(lián)接。導(dǎo)軌由一個(gè)近似于直角三角形的鋼板構(gòu)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(guò)程是：電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，雙輪和軸承產(chǎn)生的離心力逐步升高，通過(guò)導(dǎo)軌、軸承和雙輪傳遞給動(dòng)極板，動(dòng)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(zhuǎn)速時(shí)，與靜極板短接，完成電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。
安全排氣閥(8)由閥座、閥蓋、閥芯、閥簧、杠桿、支點(diǎn)、波紋座、波紋管、波紋芯、波紋簧、波紋蓋等組成。閥座、閥芯等構(gòu)成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤(pán)內(nèi)側(cè)，通過(guò)閥簧使閥門(mén)關(guān)閉；波紋座、波紋管、波紋芯、波紋簧、波紋蓋等構(gòu)成一體，安裝在外殼的接線柱圓盤(pán)外側(cè)，之間通過(guò)杠桿、支點(diǎn)聯(lián)接。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，如啟動(dòng)器內(nèi)部壓力高于設(shè)定壓力，波紋管被壓縮，通過(guò)杠桿使閥芯向上運(yùn)動(dòng)，打開(kāi)閥門(mén)，完成泄壓工作；同時(shí)，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，在離心力的作用下，電解液外圓側(cè)的壓力會(huì)升高，因波紋管(24)安裝在電解液外圓側(cè)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，也會(huì)使閥門(mén)打開(kāi)。
防爆膜片（10）由膜座、膜蓋和膜片構(gòu)成，當(dāng)起動(dòng)器內(nèi)部壓力高于防爆膜片設(shè)定壓力時(shí)，膜片會(huì)破裂，將起動(dòng)器內(nèi)的電解液迅速排出體外，保證起動(dòng)器安全可靠運(yùn)行，同時(shí)，由于電解液的流失，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子開(kāi)路，電機(jī)轉(zhuǎn)子電流降到零，通過(guò)電機(jī)的電流只有定子空載電流，保護(hù)了電機(jī)的安全。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1、動(dòng)極板(4)與靜極板(7)相鄰面均設(shè)有(柔性)石墨板，使啟動(dòng)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(guò)金屬與電解液時(shí)產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象，延長(zhǎng)了啟動(dòng)器的使用壽命。2、使用波紋管(24)感應(yīng)電解液壓力和轉(zhuǎn)速，避免慣性塊控制由于電解液旋轉(zhuǎn)速度滯后電機(jī)轉(zhuǎn)軸速度，而發(fā)生的噴液現(xiàn)象，同時(shí)將安全和排氣兩種閥合為一體。3、大型電機(jī)如啟動(dòng)失敗（堵轉(zhuǎn)），會(huì)產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，僅靠安全閥和排氣閥無(wú)法及時(shí)排出產(chǎn)生的大量蒸汽，會(huì)發(fā)生爆炸的現(xiàn)象。增設(shè)防爆膜片(10)，就有效防止上述現(xiàn)象的發(fā)生，提高了啟動(dòng)器的安全性，同時(shí)，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(dǎo)軌構(gòu)成動(dòng)極板與靜極板的短接裝置，減少了動(dòng)極板移動(dòng)阻力、增加了動(dòng)極板與靜極板間的距離及水電阻的有效體積，簡(jiǎn)化了短接裝置的結(jié)構(gòu)和成本。5、導(dǎo)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(jìn)一步提高了極板的使用壽命。同時(shí)，極板返回的轉(zhuǎn)速明顯低于短接轉(zhuǎn)速，增加了極板短接壓力，避免了極板跳躍現(xiàn)象發(fā)生。6、使用石墨極板，徹底避免了金屬極板的熔焊現(xiàn)象的發(fā)生。
后記
無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器于2003年通過(guò)了江西電機(jī)產(chǎn)品鑒定站性能鑒定，2004年通過(guò)了浙江省2004年度首批高新產(chǎn)品鑒定，同時(shí)已獲得了一項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利、兩項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，目前已有數(shù)千臺(tái)產(chǎn)品在全國(guó)使用，受到了用戶(hù)的好評(píng)。但作為一個(gè)將電氣控制、機(jī)械設(shè)計(jì)和電化學(xué)技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起的原創(chuàng)產(chǎn)品，它的不足之處在產(chǎn)品的初期很難初發(fā)現(xiàn)，但隨著近七年的使用，各種問(wèn)題和缺陷逐步顯現(xiàn)。無(wú)刷自控電機(jī)軟起動(dòng)器是在無(wú)刷自控電機(jī)軟啟動(dòng)器的基礎(chǔ)上發(fā)明的，盡管在目前來(lái)看是非常完備的，但我相信，只有在實(shí)際使用和制造過(guò)程中，不但發(fā)現(xiàn)它的不足和改進(jìn)之處，才能使它逐步成為一個(gè)起動(dòng)電流小、起動(dòng)力矩大、安全可靠、使用壽命長(zhǎng)、成本低的電機(jī)起動(dòng)器，最大限度地滿(mǎn)足用戶(hù)的需要的優(yōu)良產(chǎn)品。同時(shí)，也希望與對(duì)本技術(shù)有興趣的讀者進(jìn)行技術(shù)交流與探索。
作者簡(jiǎn)介
翟佑華：高級(jí)電氣工程師，河南油田南陽(yáng)石蠟精細(xì)化工廠設(shè)計(jì)所主任工程師，中國(guó)石油化工裝備協(xié)會(huì)電氣專(zhuān)業(yè)委員會(huì)電氣專(zhuān)家委員，已申請(qǐng)專(zhuān)利七項(xiàng)，發(fā)表論文十余篇。
聯(lián)系方式
通訊地址：河南油田南陽(yáng)精蠟廠設(shè)計(jì)所郵編：473132手機(jī)：13137080750博客：http://zuh806-63.blog.163.com電子信箱：zuh806-63＠163.com。
|
