无刷自控电机代替
普通电机的优点和方法
翟佑华 温州市曙光起动设备有限公司(325604)摘要：本文先从普通异步电动机过大的启动电流、过小的启动转矩造成的危害出发，说明大型电机的启动应考虑降低启动电流、增加启动转矩措施的必要性。再通过一个具体的电机拖动系统，选用不同的拖动方法，获得不同的性能，需要不同的成本出发，说明无刷自控电机代替普通电机的必然性.。
关键词：启动转矩 启动电流 无刷自控电机 鼠笼电机 绕线电机1. 无刷自控异步电机的简介
无刷自控电机就是一种克服了鼠笼式异步电动机启动电流大，启动转矩小；绕线式异步电动机装有碳刷、滑环和复杂的启动装置等缺点；而保留了鼠笼电动机结构简单、维护工作量小；绕线电机启动电流小，启动转矩大等优点的电动机。它的典型结构如图1所示。无刷自控电机能根据电机转速，自动控制串入电机转子内的电阻大小，达到增加电机启动转矩，减少电机启动电流和实现绕线式异步电动无刷运行的目的。它不但能使异步电动机启动的电流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie时，电机的启动转矩（0.4--1.6Me）和启动时间保持不变，还能使电机以最大转矩（1.6--3.1Me）启动。它可以代替鼠笼电机及其启动装置；绕线电机的滑环、碳刷及其启动装置。它可利用普通绕线式异步电动机，去掉滑环、碳刷及启动装置，并更换成无刷自控电动机启动器后获得。
2. 过大的启动电流和过小的启动转矩造成的危害
普通异步电动机启动电流达到额定电流的5--7倍，而启动转矩只有额定转矩的0.4--1.6倍。它在电网条件（电机启动时的电网压降小于10%）和工艺条件（启动转矩满足）允许的情况下，可以直接启动。但过大的启动电流、过小的启动转矩和过长的启动时间给电机和电网造成了极大的危害。
当电机启动电流达到额定电流的6--7倍时，线圈发热量是电机在正常运行时的36--49倍，产生的电磁力同样达到了36--49倍。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条（特别是转子常利用趋肤效应现象，降低启动电流，转子铜条在启动时，表面的温度达到350℃以上）的使用寿命。如柳钢公司烧结厂29m2烧结主风机电机为两台1000KW鼠笼电机，全压直接启动，1997年一年内累计烧毁电机六次。1998年开始采用降压启动后，到2002年止，已累计运行4年，再没有出现一次电机烧毁事故。正因如此，有关统计显示：电机直接启动时间不及电机运行时间的0.1%，但故障率占到电机全部故障率的30%以上。
电机的供电装置一般是按电机额定电流选择的，过大的启动电流往往造成供电装置的触头发热，触头周围绝缘老化，也是供电装置损坏的一个主要原因。如南阳炼油厂丙烷装置，其供电变压器容量为800kvA，而最大电机容量只有130kw，完全具备电机直接启动的条件，但过大的启动电流，在2001年内，三次造成低压开关柜短路，生产装置三次停产检修，给该厂造成了极大的经济损失。
由于上述一些原因，大容量的电动机在电网和工艺条件均满足的情况下，也常采取减少启动电流的措施，以提高供电的可靠性和降低电机的故障率。但启动装置过高的价格（特别是中高压电动机，软启动装置+启动开关柜等的价格是电机价格的1.5倍以上）、复杂的结构，不但增加了用户的成本和降低了电力拖动系统的可靠性。同时，电机启动转矩与启动电流的平方成正比，当采用降低定子电压启动方式时，如启动电流由6Ie降到了3Ie时，电机启动转矩将减少4倍，电机启动时间增大5倍以上。正因如此，对启动转矩要求比较大、启动时间要求比较短的电机，只能利用绕线式电机代替鼠笼式电机。
绕线式电机因其有碳刷、滑环及启动控制系统，无法用在对拖动系统可靠性及免维护性要求比较高的场合。如油田广泛使用的抽油机，需要大启动转矩电机，但因它们全部安装在野外，数量具大（年产原油18万吨的河南油田，其抽油机电机数量就超过2千台、大庆油田超过5万台），为提高电机拖动的可靠性，不得不采用鼠笼电机；同时，为了增加启动转矩，又不得不增加电机容量。使得抽油机电机的平均负载率不及电机额定功率的30%。它不但增加了电力拖动系统成本、还降低了电机的固有效率，浪费了大量的能源。
为了说明无刷自控电机的优越性，现以一台1400KW、ne =1488r/min、6KV、Ie =154.A、Ist/Ie=6.38、Mmax/Me=2.3；的鼠笼型电动机拖动一台主风机和一台1400KW的绕线式电动机拖动相同的负载，并均配置水电阻软启动器（水电阻启动器的价格只及可控硅、磁饱和电抗器软启动器的1/2）为例，说明其设计方法、启动性能和拖动系统成本。
3. 鼠笼电机及其拖动系统
该拖动系统的构成如图2所示，它一般由运行高压开关柜DL1、启动高压开关柜DL2、隔离开关K柜和水电阻R及其控制装置等构成。其中水电阻R及其控制装置，就是在一个装满导电液体如盐水中，插入两个电极，形成电阻。其电阻的大小与电极的距离成正比，调节电极板的距离，就能调整这个电阻的大小，达到调节定子电流的目的。将这样的可变电阻串入电机的定子回路，就可以平滑地启动电动机。
电机定子线圈串入三相对称电阻后：
以该风机进风阀门全关闭后启动电机，并设电机启动时的加速度力矩为10%电机额定转矩，可作出表（标么值）1：
转差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
转速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
全电压转矩 1.17 1.21 1.25 1.30 1.35 1.40 1.42 1.53 1.75 2.34 1.67 1.27 1.47
全电压下电流 6.38 6.30 6.21 6.10 5.96 5.80 5.61 5.38 5.09 4.53 2.57 1.70 5.14
风机空载转矩 0.11 0.09 0.08 0.08 0.08 0.10 0.12 0.15 0.18 0.23 0.26 0.31 0.15
软启动电流 2.70 2.49 2.35 2.28 2.19 2.17 2.17 2.16 2.04 1.70 1.19 0.96 2.03
电机电压 0.42 0.40 0.38 0.37 0.37 0.38 0.39 0.40 0.40 0.38 0.46 0.56 0.41
电阻上电压降 0.89 0.89 0.88 0.88 0.88 0.87 0.86 0.85 0.82 0.75 0.64 0.44 0.80
电机输出转矩 0.21 0.19 0.18 0.18 0.18 0.20 0.21 0.25 0.28 0.33 0.36 0.40 0.25
水电阻功率 2.40 2.20 2.08 2.00 1.92 1.89 1.87 1.83 1.68 1.28 0.77 0.43 1.70
在此状态下，电机启动时间为69秒，消耗的平均电功率为2300kw、消耗的电能约44kwh（能使475kg水从20℃升到期100℃）。该电机启动完毕后，还需由操作工（或时间继电器）合上运行高压开关DL1，断开启动开关DL2和K后，才能开启风机负载阀门，否则将威胁电机和启动装置的安全运行。
该拖动系统电机价格约为17万元、启动柜及隔离开关柜约12万元、三相变阻器约需12万元；增加三根电缆，每根按30米计，加上6个电缆头，约需4.5万元，如不计基建[变阻器+启动及隔离开关柜体积约为：（1.7+1.2）×1.2×2.8 m3]费用，总计费仍将高达45.5万元（不计电机为28.5万元）。
4. 绕线式电动机及其拖动系统
绕线式电机拖动系统如图3所示：电机启动时，在转子回路串一个电阻R，启动结束后，将串入的转子电阻短路。绕线式电机水电阻变化原理同鼠笼电机一样，所不同的是，水电阻串入电机的转子回路，它在降低电机启动电流的同时，增加电机的启动转矩。绕线式电机转子串入三相对称电阻后:上述公式与鼠笼电机最大的区别在于：鼠笼电机启动电阻只增加了启动转矩的分母，即它在减少了电机的启动电流的同时，减少了电机的启动转矩；并且，电机在启动过程中是一个感性负载，电源电压全部加在启动电阻上，增加了启动电阻的功率消耗。绕线式电机，正好克服了上述不足。当Rst》（x1+x2）时，电机的转矩与Rst/S成反比，电流与Rst/S成反比；转子输出电压与转差率S成正比。根据这一关系，在风机启动阻力转矩的基础上，加上电机的额定转矩就是电机以额定转矩100%加速启动，并可制出电机的转速、转矩、电流和电阻上的功率损耗表2。
转差率 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 平均
转速 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 0.95 0.98
电机电流 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
电阻上电压降 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.05 0.02 0.46
电机输出转矩 1.11 1.09 1.08 1.08 1.08 1.10 1.12 1.15 1.18 1.23 1.26 1.31 1.15
水电阻功率 1.11 0.98 0.86 0.76 0.65 0.55 0.45 0.34 0.24 0.12 0.06 0.03 0.51
从表2可以清楚的看出，绕线式电动机在启动电流比鼠笼电机减少了近1/2倍的情况下，启动转矩增加4倍以上，启动时间减少到1/10倍(6.9秒)，在启动电阻上消耗的电能减少了33倍（1.3Kw）左右（只就使14.4kg水从20℃加热到100℃）。
该拖动系统：绕线电机约需23万元、三相变阻器＋短路开关柜约需10万元；需增加三根3×240mm2低压电缆作为转子电流引出线，每根长度按30米计，加上6个电缆头，约需2.5万元，在不计基建费用的情况下，总计费用将达到35.5万元。
5. 无刷自控电机及其实现方法
无刷自控电机拖动系统如图4所示，它无需增加启动控制柜和复杂的控制装置，只需一个运行开关柜，就可实现电机的软启动。它的主要电气性能同绕线式异步电动机加装水电阻式软启动器相当，所不同的是：电机的启动过程中，串入转子内的启动电阻，随着电机转速的升高，其阻值按电机转速平方规律自动减少，并在电机转速达到额定转速90%左右时，启动电阻降为零。它保证了启动装置与电机启动过程完全同步，并克服了绕线式电机滑环和碳刷、鼠笼电机复杂的启动装置和过高的成本造成的危害。
它可以从以下三个方面实现（假设已有鼠笼电机直接启动系统）
A. 购买一台无刷自控电机，取代现有鼠笼电机即可。该电机是按加装无刷自控电机启动器设计，去掉了绕线电机滑环、碳刷及防止碳粉入侵电机绕组等装置。它不但降低了电机的制造成本（电机+启动装置约25万元），还提高了电机的效率约0.1%左右。
B. 购买一台绕线式异步电动机（约23万元）和一套无刷自控电机软启动器（约2.5万元）,去掉绕线式异步电动机内的碳刷和滑环，安装无刷自控电机软启动器，就变成了一台无刷自控电机。
C. 保留电机定子及其附属装置不变，将原鼠笼转子更换成无刷自控电机转子（全部改造费约需17万元）即可。
6. 结论
从上述分析中，可以得出下表（以1400kw风机拖动系统为例）：
项目 鼠笼电机+软启动 绕线电机+软启动 无刷自控电机
启动电流(启动电流/电机额定电流) 2.7Ie 1.11Ie 1.11Ie
启动转矩(启动转矩/电机额定转矩) 0.21Me 1.11Me 1.11Me
启动时间(S) 69 6.9 6.9
启动电阻消耗功率(kwh) 44 1.33 1.33
电机维护工作量 小 大 中
启动装置维护工作量 大 中 无
启动装置体积(m3) (1.7+1.2)×1.2×2.8 1.4×1.2×2.2 0
电机参考价格(万元) 17 23 25
启动器+启动开关柜+启动电缆价格(万元) 28.5 12.5 0
拖动系统总价格(万元) 45.5 35.5 25
无刷自控电还克服了绕线式异步电机及其启动装置：A.绕线式电机由于存在着滑环和碳刷，增加了电机运行维护工作量和电机的故障率，对连续自动工作和防爆的场合（如石化企业）限制了它的应用。B.电机的启动过程，同鼠笼电机一样，还是间接控制（一般用时间继电器）。很难保证启动过程与电机同步。C.电刷，转子引出电缆及转子短接装置要消耗一定的电能，降低了电机的固有效率。
正因如此，无刷自控电机这项专利自2002年9月25日由中国知识产权局公开后，2002年11月28日就被温州曙光启动设备有限公司买断无刷自控电机启动器生产、销售权；2002年12月12日通过了“江西省电机产品检测站”的性能鉴定；2003年1月15日，在上海市的生命工程--480KW防洪排灌电机上一次试用成功，并将作为2003年4月，上海水泵博览会上的重点推荐产品。
无刷自控电机以其优良的启动性能，低廉的价格，不但会占领部分绕线式异步电动机及其启动装置的市场份额，还会替代部分鼠笼电机及其启动装置。参考资料：
1. 《中压交流电动机使用固态软启动器与液体变阻器起动的比较》 作者：厉无咎 《中国化工装备》杂志2002年增刊（第三届全国石油和化学工业电气技术交流研讨会论文集）
2. 《电动机磁控软启动》 作者：高越农 《中国化工装备》杂志2002年增刊（第三届全国石油和化学工业电气技术交流研讨会论文集）
3. 《中压（3~10KV）电动机启动方法的分析与比较》 作者：李咸全 迟连道等 《电气世界》杂志，2002年第11期
4. 《电机拖动自动控制》 张永丰主编 机械工业出版社，1978年
5. 《无刷自控绕线式异步电机的研制》 作者：翟佑华 《电工技术》杂志，2002年第12期作者简介：
翟佑华：电气工程师，中国化工装备协会仪表电气专家委员会电气专家委员，已有五项国家专利（仅无刷自控电机及其启动装置就有三项专利），公开发表10篇学术论文，获局、处两级各种科技奖励十余次，现主要从事无刷自控电机的推广应用工作。
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