无刷自控电机软起动器原理与应用

翟佑华 河南油田南阳石蜡精细化工厂(473132)
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摘要：本文先简要介绍常用绕线式电机及起动装置存在问题后，介绍无刷自控电机软起动器的原理、结构特点、主要性能、创新性、先进性、技术成熟程度及典型应用效果和存在的主要问题。
关键词：软起动器   起动电流   起动转矩  起动比1  无刷自控   绕线电机

1   背景
鼠笼式三相异步电动机直接起动，起动电流达到电机额定电流的5-8倍，起动转矩只有电机额定转矩的0.6-1.2倍(随着电机容量的增大,起动转矩越来越小)，电机的起动比小于0.2。如采用降压起动，不但起动设备复杂，成本高，还由于起动转矩与起动电流的平方成正比，电机的起动比成正比地减少,因此, 鼠笼式三相异步电动机+起动装置,只能用在起动转矩小的风机、水泵等电机上，而不能用在球磨机、破碎机、轧钢机等设备中。
三相绕线式转子交流异步电动机因转子可外接电阻、频敏变阻器和反电势。它不但能限制电机的起动电流，还能增加电机的起动转矩和起动时的功率因素，使电机起动比接近1（转子串电阻和反电势时，起动比接近1，串频敏变阻器时，起动比最高可以达到0.55）。因此，三相绕线式转子交流异步电动机在大容量、大转矩的机械设备中得到广泛应用。但三相绕线式转子交流异步电动机因需将转子电流通过电刷、滑环、电缆等引到地面且常用起动设备存在以下不足：
A、频敏变阻起动柜：它是将绕线式电机转子回路通过滑环、碳刷引入地面的频敏变阻起动柜内，在电机起动时，串入频敏变阻器，随着电机转速的增加，转子电流频率的降低，频敏变阻器阻抗逐步减少，达到连续限制电机起动电流的目的。电机起动结束后、还需通过接触器或短路环将频敏变阻短接（部分中小型电机在转子上装有短路环）。串频敏变阻器起动，由于频敏变阻器实际上是一个电感元件，它降低了电机的功率因数，电机的起动比小于0.55。因此，它一般用在对起动转矩要求不太高的风机、水泵、空压机和球磨机电机上。它的变形产品：无刷无环起动器是将频敏变阻器直接安装在电机转子上，实现电机无刷运行。无刷无环起动器存在：（1）起动电流一经出厂，就无法调整。（2）重量是无刷自控电机软起动器的2倍以上，且起动器最大功率无法越过500KW。（3）电机正常运行时，频敏变阻器不短接，会产生一定的功率消耗，降低了拖动系统的效率。
B、绕线式异步电机串电阻多级起动柜，它也是将电机转子电流引入起动柜内，通过时间、电流或凸轮控制器改变电阻的大小，达到增加电机起动转矩、减少起动电流的目的。它的最大优点是：由于串入转子回路是纯电阻，功率因数高，起动比接近1。但起动控制装置复杂，且起动过程中需频繁切换起动电阻，造成多次冲击电流，因此，它只用在对起动转矩要求特高的起重机，轧钢机等设备上。它的变型产品是：绕线式异步电动机液态电阻起动柜，它是将液体电阻串入电机的转子回路，通过伺服电机改变极板的距离，从而改变液体电阻的大小，达到无级连续调整电机起动转矩和起动电流的目的。它与凸轮控制器改变电阻相比，最大的优点是：1）无级连续调整电机电流，2）可以通过改变电解液的浓度，方便地改变起动电阻的大小，达到改变起动电机电流的目的；缺点是：1）常见的绕线式异步电动机液态电阻起动柜，没有考虑液体电阻对极板及其传动设备的腐蚀作用；2）没有考虑装置的密封和防爆、没有考虑环境温度对起动装置的影响，造成寿命低；3）电机起动过程完全由伺服电机控制，不能自动适应电机的起动过程；4）应用范围小，不能安装在有振动的地方（如行车上）和北方的室外；5）体积大、运行维护工作量大、造价高等缺点。
柜式起动设备均需将转子电流通过电刷、滑环、电缆等引到地面控制柜，电刷与滑环间磨下的碳粉会导致电机绝缘的降低，引发电动机故障。滑环、电刷压力弹簧锈蚀，引起电刷与滑环间打火。因对电机保养提出了更高的要求。同时电机起动过程人为给定，不能适应不同负载；起动装置元器件多、二次回路复杂、故障率高、维护保养技术要求高、拖动系统综合价格高是它们共同的另一个通病。
2   技术原理
无刷自控电机软起动器是结合了无刷无环起动器和液态电阻起动柜的优点且克服它们的不足而设计的。它的控制原理与绕线电机液态电阻起动柜相当，所不同的是，将起动电阻直接安装在电动机的转轴上，利用电机旋转时产生的离心力作为动力，控制起动电阻的大小，达到减少电机起动电流、增加起动转矩，使绕线式异步电动机实现无刷自控运行的装置。它主要由机壳、电解液、动极板、施密特接触装置、弹簧、接线柱、安全阀、排气阀等构成。它的内部原理结构简图如图1所示，当电机起动时，一方面，随着电机转速的升高，动极板在离心力的作用下，逐步靠近机壳，串入电机转子内的电阻成比例地减少，并在达到额定转速时，与外壳短接，电阻降为零；另一方面，动极板与机壳间的水电阻，因通过电流而发热，在水电阻负温度特性的作用下，电阻也会逐步减少。在电机转速和温度两方面的作用下，使电动机以近似于恒定电流、恒定转矩起动。
无刷自控电机软起动器控制原理如图2所示，起动器出厂后，用户可以通过改变电解液的浓度，改变起始电阻的大小，以达到方便无级调整电机的起始（堵转）电流，满足不同负荷对起始电流的要求。
为保证水电阻能在电机转子上长期免维护运行，无刷自控电机软起动器在整体设计上应用了以下技术：
A.    选用具有下述特性的电解液为水电阻：A、对金属（铜和钢）具有防锈作用；B、通过大电流后，不发生电解液变质、极板腐蚀、产生气体的化学反应；C、电解液的冰点为-25℃，沸点为120℃，以满足不同环境下安全工作的要求。
B.    起动器采用金属全密封结构，尽可能减少密封面数量。
C.    设置安全排气阀，在电机转速达到额定转速后，自动打开排气阀，保证正常运行时，起动器内部的压力与大气压一致；同时，为避免因电机长时间堵转，电解液烧开、起动器内部压力升高，设置了安全阀，保证电机及起动器的安全。
D.    为防止极板在额定转速附近，处于断续接触状态，同时，为增加触头接触应力，减少接触电阻，设置了施密特接触装置，提高短接触头使用寿命和电机正常运行时的损耗和起动器的发热量。
3  性能指标
无刷自控电机软起动器实现了绕线式异步电动机无刷自控运行，避免了绕线式异步电机因存在滑环、碳刷，造成运行维护工作量大、故障率高的缺点，达到了以下效果：
a)    无刷自控电机软起动器能以起动比为1的方式起动电动机。避免了鼠笼式异步电动机直接起动，起动比小于0.2。安装液态电阻（热变电阻）、磁控电抗器、固态（晶闸管）软起动设备，起动转矩与起动电流的平方成正比，当电流降低50%时，起动转矩降低75%的影响，起动比小于0.1这一缺点。
b)    无刷自控电机软起动器出厂后，用户可以通过改变电解液的浓度，改变起始电阻的大小，以达到调整电机的起始（堵转）电流，满足不同负荷对起始电流和起动转矩的要求，避免了传统起动装置起动电流不能无级调整这一缺点。
c)    无刷自控电机软起动器起动过程是电机根据本身的转速自动完成，无需人去干涉。其它起动装置一般靠时间继电器、电流继电器等间接控制；电机起动结束后，还要靠人去将起动装置退出运行（特别是高压电机），如退出时机不对，会威胁电机、机械、供电和起动设备的安全运行。
d)    当电网电压较低或负载较重，造成电机输出转矩不足时，水电阻的温度会因通过电流而升高，电阻自动降低，从而逐步提高电机电流，增加电机起动转矩，确保电机一次起动成功。
e)    无刷自控电机软起动器使电机的起动电流限制在额定电流附近，避免过大的起动电流对电机和供电设备造成的各种危害。
f)    如电机出现长期堵转现象，电机会自动加热电解液。由于消耗在电解液上的有功功率远大于消耗在电机绕组上的有功功率，电解液会很快烧开，当电解液烧干后，电机转子没有通电回路，相当于起动电阻变成无穷大，电机转子电流会自动降为零，达到保护电机的目的。
g)    电机运行过程中，遇到突加负载（如轧钢机在轧钢过程中出现堵转），随着电机转速的降低，起动电阻会自动串入转子回路，达到增加转矩，减少电流，保护电机安全的目的。
h)    一台1400KW电机无刷自控电机软起动器的市场售价仅2万元。而相同容量的常规软起动装置需10万元以上，一台1400KW电机无刷自控电机软起动器外形仅是一个Φ600×320的圆柱体，并直接安装在电机上。而相同容量的高压鼠笼式异步电动机液态电阻（热变电阻）起动装置外形尺寸为(1700+1200)×1200×2800，需进行基建