隔爆型繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機實現(xiàn)無刷自啟動的探討

1、隔爆型繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動機實現(xiàn)無刷自啟動的探討 0 概述防爆型三相異步電動機從防爆類型上分有隔爆、增安、正壓通風(fēng)等多種形式，但從轉(zhuǎn)子繞組的結(jié)構(gòu)形式上分只有兩種，即鼠籠型和繞線型。鼠籠型電機有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，繞線型電機也有其獨特的性能優(yōu)勢。能否將二者的優(yōu)勢進行互補?下面結(jié)合該主題進行探討。1 鼠籠電機和繞線電機的性能、結(jié)構(gòu)特點11 鼠籠電機結(jié)構(gòu)優(yōu)點和啟動性能局限我們知道，鼠籠電機結(jié)構(gòu)簡單緊湊，在電機行業(yè)屬于“吃電大戶”，推廣最為普及，需求量也占絕對份額。但與繞線電機相比，啟動性能有其自身的局限性：鼠籠電動機的啟動電流一般達(dá)到額定電流的5-7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0416倍(小電機能達(dá)到2

2、2倍)。這種情況在電網(wǎng)條件和工藝條件允許的情況下，能夠直接啟動。這里的電網(wǎng)條件一般指電機啟動時電網(wǎng)保證電機機端壓降不大于10；工藝條件是指電機的啟動轉(zhuǎn)矩滿足機組系統(tǒng)慣量和負(fù)載的加速特性要求。但過大的啟動電流、過小的啟動轉(zhuǎn)矩和過長的啟動時間給電動機和電網(wǎng)將造成極大的潛在危害。定轉(zhuǎn)子繞組的發(fā)熱量隨其流過的電流大小成平方倍關(guān)系變化。按照上述的啟動電流倍數(shù)，電機啟動時的單位時間發(fā)熱量是正常運行時的2549倍，產(chǎn)生的電磁力也將大幅度增加。過快的加熱速度、過高的溫度、過大的溫度梯度和電磁力產(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定轉(zhuǎn)子繞組的使用壽命。特別是對一些大慣量負(fù)載，如大慣量風(fēng)機、磨機，利用集膚效應(yīng)降低啟動電流產(chǎn)

3、提高啟動轉(zhuǎn)矩的電機，也易出現(xiàn)頻繁多次啟動后轉(zhuǎn)子斷條現(xiàn)象。鼠籠電機的啟動轉(zhuǎn)矩及機械特性在電動機做成后即成定局，無法改變其啟動性能。12 繞線電機性能優(yōu)點和結(jié)構(gòu)局限隔爆型繞線轉(zhuǎn)子電機的啟動是通過轉(zhuǎn)子三相外串電阻達(dá)到提高啟動轉(zhuǎn)矩、遏制啟動電流的目的。通過調(diào)節(jié)外串電阻的大小，能夠?qū)崿F(xiàn)啟動特性的扭轉(zhuǎn)和提高，即速度一轉(zhuǎn)矩曲線的軸向平移。通過外接電阻的跟隨變化能夠使電機的整個啟動曲線不會階段性地出現(xiàn)中間凹陷，從理論上講基本能夠?qū)崿F(xiàn)以最大轉(zhuǎn)矩做啟動轉(zhuǎn)矩。由于外串電阻的變化能夠使電機的啟動特性發(fā)生變化，故現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)中對電機的啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩等啟動性能指標(biāo)未做要求，僅對最大轉(zhuǎn)矩有要求。在重載啟動時，與鼠籠電

4、機相比有其獨特的優(yōu)勢。故多與磨機、大慣量的風(fēng)機及深井泵配套使用。繞線電機特有的性能優(yōu)勢是鼠籠電機無法取代的，但其自身的缺點也制約了該類電機大范圍、多領(lǐng)域的推廣，主要表現(xiàn)在如下幾個方面：1)該類電動機為實現(xiàn)外串電阻，其主體必須裝有轉(zhuǎn)子電流、電壓引出裝置電刷、集電環(huán)、帶單獨的隔爆型轉(zhuǎn)子接線盒，并且必須帶有結(jié)構(gòu)復(fù)雜和多方位連鎖的啟動控制和保護裝置。2)過載運行時無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)子電阻的自動回加。3)電刷與集電環(huán)屬于該類設(shè)備的易損件，電機在使用過程中間要定期清理炭粉并巡視檢查集電環(huán)的磨損情況，用戶使用與維護工作量大，有時由于監(jiān)控不力會造成設(shè)備被迫停機，直接影響到生產(chǎn)廠家的工藝流程系統(tǒng)乃至全線停機，直接造成較

5、大的經(jīng)濟損失。4)由于繞線轉(zhuǎn)子電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)子溫度受絕緣材料耐熱等級的約束，單機容量向大的方向開發(fā)受到限制。2 隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動的方法與原理繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動并不是拋開繞線電機自身的機與電的機理，而是將外接電阻和控制回路濃縮設(shè)計成一個無刷自啟動器，直接將該啟動器安裝在電動機的轉(zhuǎn)子本體上，取消了集電環(huán)和電刷。這樣一來，隔爆型無刷自啟動繞線電機就克服了鼠籠異步電動機啟動電流大，啟動轉(zhuǎn)矩小及繞線式異步電動機裝有電刷、集電環(huán)和復(fù)雜的啟動裝置的缺點；保留了鼠籠電動機結(jié)構(gòu)簡單、維護工作量小和繞線電機啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點。3 隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動的可能性隔爆型繞線

6、電機實現(xiàn)無刷自啟動的過程是將一種無刷自啟動器接人了轉(zhuǎn)子回路，甩掉了普通繞線電機本身所帶的集電環(huán)、電刷等易損件。隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動的可能性有多大，電機的可靠性有多高是令人關(guān)注的問題。31 無刷自啟動器的原理及可行性隔爆型繞線電機啟動時轉(zhuǎn)子外電路通常串頻敏變阻器、干式鑄鐵電阻、水電阻或其他干式電阻。一般大容量電機多用水電阻，小容量電機多串頻敏變阻器或干式電阻。下面對頻敏變阻器啟動和啟動變阻器啟動兩種方法進行對比分析：常規(guī)頻敏變阻器啟動：我們知道：電感性元件具有“阻交流通直流”的特性，而頻敏變阻器啟動是利用繞線電機啟動時轉(zhuǎn)子頻率由50Hz向下衰減到35Hz的特征進行啟動的。頻敏變阻器是一種

7、無觸點電磁元件，相當(dāng)于一個鐵心損耗特大的三相電抗器。在啟動過程中，頻敏電阻器的電抗值和對應(yīng)于鐵心渦流損耗的等效電阻值隨著轉(zhuǎn)子的頻率下降而自動減小。因此不需要經(jīng)過切換電阻就可以把電機平穩(wěn)的啟動起來。常規(guī)變阻器啟動：使用變阻器法啟動有兩種：第一種為電阻的有級改變；第二種為電阻的無級改變。干式電阻很難實現(xiàn)無級改變，干式電阻的有級改變不再贅述。隨著科技的發(fā)展，水電阻能夠較容易的實現(xiàn)無級改變。無級水電阻啟動的原理是：水電阻是利用一個水槽，將一定配比的堿性液體置于水槽內(nèi)，水槽兩邊設(shè)銅質(zhì)極板，一端為定極板，一端為動極板，通過外設(shè)動力驅(qū)動動極板，改變兩極板間的距離達(dá)到改變電阻的目的(電阻的阻值大小與動定極板的

8、間距大小成近似正比關(guān)系)，該電阻的改變是人為通過驅(qū)動機構(gòu)設(shè)定的，電阻的切換時間利用驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)及其執(zhí)行時間來設(shè)定的。通過程序控制平穩(wěn)移動動極板，最終達(dá)到電機平穩(wěn)無級啟動的目的。無刷自啟動器是將繞線電機外接的頻敏變阻器、水電阻或其他串入的電阻性(或電感性)元件及電控設(shè)備通過特殊濃縮設(shè)計達(dá)到化零為整，直接移到電機旋轉(zhuǎn)軸上的一種裝置。該裝置從原理上講，對不同的電阻類型有不同的實現(xiàn)辦法：1)液體電阻的實現(xiàn)辦法利用電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力實現(xiàn)液體電阻器極板移動，達(dá)到改變電阻的目的，并通過彈簧的反向拉力使極板在不同轉(zhuǎn)速下達(dá)到不同的平衡點，進而獲得對應(yīng)的電阻值，使啟動器的阻值在啟動時，隨著電機轉(zhuǎn)速的逐漸

9、攀升實現(xiàn)由大到小的變化。停機時，由彈簧的反向拉力使動極板移動到極板間距最大處，此時電阻阻值最大。并且，在電機因過載而減速時，能夠?qū)崿F(xiàn)電阻的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到增大轉(zhuǎn)矩遏制電流的作用，電機的過載能力明顯增強。由于水電阻的熱容量較大，能夠應(yīng)用于較大容量的電機。2)頻敏變阻器的實現(xiàn)方法將頻敏變阻器通過特殊設(shè)計，直接移動到電機的旋轉(zhuǎn)軸上并配上特制的離心開關(guān)完全能夠?qū)崿F(xiàn)自啟動。具體辦法：啟動過程中頻敏變阻器直接接入轉(zhuǎn)子中進行啟動，啟動結(jié)束后根據(jù)電機轉(zhuǎn)速，利用離心開關(guān)將其關(guān)掉，避免電機長期運行中的無效發(fā)熱對頻敏變阻器的損壞，但面臨多次重復(fù)啟動的發(fā)熱問題。3)干式電阻器的實現(xiàn)方法將干式等值電阻器等值分列成三相若干

10、組串聯(lián)固定在圓盤上，圓盤固定在旋轉(zhuǎn)軸上，中間每組間均抽頭形成觸點排，利用離心開關(guān)在轉(zhuǎn)速的上升過程中進行逐級切除，實現(xiàn)電機的有級啟動，原理如圖1所示。1.外風(fēng)扇 2.外風(fēng)罩 3.前端蓋 4.繞線轉(zhuǎn)子 5.定子 6.轉(zhuǎn)子引線7.定子接線盒 8.轉(zhuǎn)子接線盒 9.后端蓋 10.刷架 11.電刷 12.集電環(huán) 13.隔爆蓋圖1 無刷繞線電機轉(zhuǎn)子接線原理圖由于不同電阻器的類型不同，在實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)和側(cè)重點也各不相同。比如：液體電阻要考慮和解決液體的密封、沸騰、腐蝕、加液的問題；頻敏變阻器要解決動態(tài)絕緣結(jié)構(gòu)、發(fā)熱與散熱、載流能力等問題；干式電阻器要解決旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，觸點排接觸的問題。從理論分析及實踐

11、上證明上述方法的啟動器均能在一定載流范圍(即對應(yīng)于電機的一定功率范圍)內(nèi)得以實現(xiàn)。32 隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動的可行性321 整機原理的可行性從上面總體分析可知：隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動從原理上講是可行的。整機的可靠性，一方面取決于電機的主體性能(如轉(zhuǎn)子電流與電壓的分配，定轉(zhuǎn)子電密及熱負(fù)荷的選擇等)，另一方面更取決于無刷啟動器產(chǎn)品的研發(fā)狀況。無刷啟動器在實現(xiàn)上述基本功能的基礎(chǔ)上，如何保證其可靠性是整機研制成功的關(guān)鍵問題之一。322結(jié)構(gòu)的可行性隔爆型繞線電機的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是由前、后端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、軸承裝置、定子接線盒、轉(zhuǎn)子接線盒、集電環(huán)、刷握、電刷等組成。隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷

12、自啟動后的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是由前、后端蓋、定子、轉(zhuǎn)子、軸承裝置、定子接線盒及無刷自啟動器等組成。與普通隔爆型繞線電機相比，少了轉(zhuǎn)子接線盒、集電環(huán)、刷握、電刷等部件，結(jié)構(gòu)簡化了許多。1.外風(fēng)扇 2.外風(fēng)罩 3.前端蓋 4.繞線轉(zhuǎn)子 5.定子6.轉(zhuǎn)子引線 7.定子接線盒 8.后端蓋 9.無刷自啟動器圖2 繞線轉(zhuǎn)子電機常規(guī)結(jié)構(gòu)圖圖3 繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動后的電機結(jié)構(gòu)圖323 防爆安全的可行性隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動后的防爆結(jié)構(gòu)如圖4所示。與普通隔爆型繞線電機相比：1)主防爆腔：電機的主防爆腔的防爆結(jié)構(gòu)和隔爆參數(shù)在改進前后沒有發(fā)生任何變化。2)集電環(huán)防爆腔：原來集電環(huán)防爆腔是樞紐，一端通過軸承裝置和軸上轉(zhuǎn)子穿線孔與主防爆腔相連，另一端與轉(zhuǎn)子接線盒相連。換上無刷啟動器后，取消了轉(zhuǎn)子接線盒和相應(yīng)的觀察窗裝置，簡化了電機的防爆結(jié)構(gòu)。3)取消了轉(zhuǎn)子接線盒防爆腔。從電機的主體上講：在原有的基礎(chǔ)上提高了防爆安全性。圖4 隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動后的隔爆結(jié)構(gòu)示意圖4 結(jié)論隔爆型繞線電機實現(xiàn)無刷自啟動從原理、結(jié)構(gòu)和防爆安全性上講是可行的。但其中涉及到一些關(guān)鍵部件的開發(fā)難度相當(dāng)大，無刷啟動器的允許容量將直接制約著該類電機的容量，其可靠性也決定著該類電機的可靠性。自啟動器在隔爆