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1、绕线电机无刷运行的探索及发展崔佑华河南油田南阳石蜡精细化工厂摘要：木文介绍了人们为实现绕线电机无刷运行，所采取的措施和步骤及毎一个步骤所带來的技术进 步。指出了无刷自控电机软起动器在生产、使用过程中发现的不足及解决的办法,使读者对绕 线电机无刷运行有一个全面的了解和认识，为绕线电机无刷运行的研究和发展提供参考。关键词：软起动器 起动电流 起动转矩 起动比 无刷自控 绕线电机0. 背景技术三相绕线转子交流异步电动机因转子回路可外接电阻、频敏变阻器或反电势，在降低电 机启动电流的同时，增加了电机的起动转矩，并使电机起动比接近1 （转子串电阻和反电势 时，起动比接近1,串频墩变阻器时，起动比最高可以
2、达到0.55,而普通的鼠笼型电机起动 比小于0.2；采用降压启动后，因启动力矩与电流平方成正比，启动比会小于0.1 ）0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：A、它需 将转子电流通过电刷、滑环、电缆等引到地面控制柜，控制设备复杂，运行维护成本高；B、 碳刷、滑环、联接转子回路的电缆及短接装置需消耗大量的电能，降低了电机的效率；C、 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；D、电刷的磨损、压力 弹簧锈蚀，引起电刷与滑环间打火造成拖动系统可靠性降低，运行维护工作量增大。因此， 自绕线交流电机诞生开始，人们就一直探索它的无刷运行方案。1
3、. 深槽或双鼠笼电机从三相异步电动机的运行特性可以知道，适当增加转子电阻，可以改善电动机的启动性 能。在普通鼠笼电机中，转子电流冋路是闭合的，无法串入电阻。人们从改变转子槽形或转 子绕组电阻率入手，提高电机的启动性能。如：利用转子电流，在电机启动时，频率较高， 深槽部分漏磁通多，阻抗大，岀现启动电流较小的“集肤效应”现象，制成深槽或双鼠笼电 机，来达到改善电机启动性能的冃的。由于它人为地增加了电机转子漏抗或转子电阻，电机 的最大启动转矩、正常运行的功率因素和效率（效率降低3-7%）均有所降低。深槽或双鼠 笼电机是靠牺牲电机的效率来换取电机的启动性能，正因如此，它一般只用在对电气可靠性 要求较高
4、、不计较电机效率、单机容量较少的场合，如油皿用抽油机电机。2. 无刷绕线式三相异步电动机电机申请号为99115551.3、名为“无刷绕线式三相异步电动机电机”的发明专利采用在电机 转子上安装一个频敏变阻器的方法，改善电动机的启动性能。它虽能增加电机启动转矩，减 少启动电流；根除绕线电机碳粉、电火花引起的绕组匝间短路、击穿和集电环烧损等故障。 但由于电机正常运转时，转子电流耍通过频敏电阻，从而降低了电机的效率。频敏变阻器是 一个电感，起动比较小，同时，为减少频敏变阻器发热量，和照顾电机的起动力矩，电机的 起动电流一般均大于额定电流的4倍以上。它的主耍性能同深槽或双鼠笼电机相当，所不同 的只是一个
5、利用“集肤效应”且在转子内部减少启动电流，另一个是增加一套频敏变阻器且 安装在电机的转轴上，它们均以牺牲电机的效率为前提，不能在实际生产中广泛地应用。3. 无刷自控绕线式异步电动机2001年，作者申请了无刷自控绕线式异步电动机（专利号：ZL01277402.2）实用新型专 利。它的冃的是提高电机的启动比和运行时的效率。无刷自控电机的组成如图1所示，它的基木结构与无刷电机相同；不同Z处，只是增加了离心开关，且启动电阻可以是纯电阻，通过多级离心开关短接。其主耍优点是： A、因电阻是纯阻性的，提高了电机的 启动比：B、在电机启动结朿后，离心 开关口动短接，减少了电机在转子启动 电阻上的功率消耗，提高
6、电机的效率。但它存在以下不足：1、起动电阻 需多级短接才能保证电动机的启动性 能；2、大容量电机的离心开关制造成 木高，体积大；3、金属电阻的热容量 小。因此，无法在大容量电机上应用。5. 无刷自控电机软启动器2003年，作者中请了无刷自控电机 软启动器发明专利(专利号为：7图1ZL031128092)c无刷自控电机软启动器的结构如图2所示。它主要由机壳、电解液、动极板、概念，并给出了离心排气阀的具体结构，实 现了水电阻密封和排气的冃的，使水电阻安 装在电机转轴上得以实现。它的启动控制原理是：当电机起动时， 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，极板间的水电阻成反 比地减
7、少，并在达到额定转速时，与外売短 接，电阻降为零，完成电机的启动过程。它的液体密封及排气原理是：电机静止 时，阀门在阀簧的作用下，处于关闭状态， 防止水电阻流失；电机启动后，水电阻在离 心力作用下，远离轴套，形成轴套中心无水 状态；同时，排气阀在离心力的作用下，克 服阀簧阻力而打开，将产生的气体排出。该装置通过数年的生产和运行后，逐步 发现以下不足：A、未考虑液体转速滞后电 机转速现象，当排气阀打开时，液体还未形 成中心空的状态，造成喷液现象的发生；B、 未设置防爆膜片，当电机堵转或具它故障吋,安全阀电解液施密特接触装冒图2:U| K： ： -nn:I! inn fl排气阀无法及时排出产生的气
8、体，会发生爆炸,施密特接触装置、弹簧、接线柱、安全阀、排气阀等构成。它第一次将水电阻安装在电机的 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。第一次提出了离心排气阀的威胁用户人身及设备安全；C、接线柱与动极板间采用软联接，接线柱螺栓无法定位，装拆联 接导线时易造成螺栓联轴旋转，内部软联接导线定位变化，并使接线柱处出现漏液现象；D、 软联接的导线因位置不确定，且是带电的，易与外売间或相邻软导线间出现放电现象；E、极 板是金属的，在水电阻中易出现电腐蚀现象；F、动极板及惯性块受到的离心力与电机转速平 方成
9、正比，极板间的距离与转速平方成反比(L=Kl(K2-n2)其中：L是极板间距离、K1和K是 常数，n是电机转速)，而转子电压与转速Z间的关系是：U=K(no-n)(其中U表示转子电压,no表示电机的同步转速）。再，拉伸弹簧有初拉力，造成电机启动初期，随电机转速升高，启 动电流及力矩明显下降，岀现一个谷值（最低下降到启动初始电流50%以下）电流，电机启动 性能明显变劣，失去了恒电流、恒转矩启动电机的冃的；G、只考虑设置维修用的盖板，而未盖板和外圆环全部电焊联接，内部元件无法维修。机壳防爆膜片图3接线柱考虑具具体密封方案，造成启动器轴套、6. 无刷自控电机软起动器2（）08年，作者申请了无刷自控电
10、机 软起动器实用新型专利（专利号为： ZL200820172688. 7）。它的结构如图3所 示，它由圆柱型外壳、弹簧、动极板、 静极板、接线柱、离心排气阀、防爆膜 片和极板移动短接装置等构成。动极板 盘滑配在外壳的中心立柱上，动极板与 静极板相邻面均设有（柔性）石墨板；静 极板与接线柱硬联接，并通过绝缘子固 定安装在外壳上。无刷口控电机软起动器中的短接装置，由双轮、轴承和导轨构成。双轮和轴承联成一体,轴承外侧与导轨滚动联接，双轮与动极板滚动联接。导轨由一个近似于直角三角形的钢板构 成，在靠近圆心的位置较低，随半径的增加逐步增高，并在靠近外壳的外圆柱处，角度忽然 变小。极板短接过程是：电机启动
11、时，随着电机转速的升高，双轮和轴承在离心力作用下， 逐步升高，通过导轨、轴承和双轮传递给动极板盘，使动极板盘逐步向静极板靠近，并在接 近额定转速时，与静极板快速短接，完成电机的启动过程。离心排气阀由阀门、阀簧、杠杆、波纹座、波纹管等组成。静止时，通过阀簧使阀门关 闭；当启动器内部压力高于设定压力，波纹管被压缩，通过杠杆使阀芯向上运动，打开阀门， 完成泄压工作；同时，随着电机转速的升高，在离心力的作用下，电解液外圆侧的圧力会升 高，因波纹管安装在电解液外圆侧，当电机转速达到设定值时，也会被压缩，通过杠杆使阀 门打开。因排气阀由液体压力控制，避免了因液体转速滞后电机转速发生的喷液现彖。设置了防爆膜
12、片，当起动器内部圧力高丁防爆膜片设定圧力时，膜片会破裂，将起动器 内的水电阻迅速排出体外，保证了起动器安全可靠运行。同时，由丁电解液的流失，动静极 板间没有水电阻，使电机转子凹路处于断路状态，转子电流降到零，通过电机的电流只有定 子空载电流，电机会自动停止运行，保护了电机及其设备的安全。本发明的技术贡献是：解决了启动器（专利号：ZL03112809.2）喷液、爆炸、极板易腐蚀、 接线柱定位及软铜线与外売放电等技术难题。但该装置仍存在：A、极板移动接触装置结构 复杂，动静极板接触转速调试不方便；B、动极板盘受到的动力仍与转速的平方成正比，没 有改善无刷自控电机软起动器的启动性能；C、因柔性石墨板
13、的变形量很小，很难补偿动静 极板的距离误差，会造成部分极板无法接触；D、石墨板提高了极板的使用寿命，但增加了 接触电阻，使启动器发热，从而造成能源的浪费和水电阻的损失。7. 防腐型水电阻二次短接极板2009年，作者中请了防腐型水电阻二次短接极板（专利号为：ZL200920267713.9）实 用新型专利。它在无刷自控电机软起动器上应用的结构如图4所示。它由动极板、动触头、 静极板、静触头、动极板盘、联接螺杆、软铜带以及弹簧等组成；特征在于：动极板、动触 头均通过弹簧和联接螺杆滑配在动极板盘上，且动触头比动极板低lnrni左右；极板的材质是 石墨的，触头的材质是金属的。因动触头比动极板低，使极板
14、接触顺序是：先石墨极板接触 后金属触头接触；断开的顺序是：先金属触头后石墨极板。防腐型水电阻二次短接极具有防止极板及触头电腐蚀和熔焊的作用，同时具有搂触电阻小、使用寿命长等优点。但该专利 仅解决了无刷自控电机软起动器石 墨极板接触电阻人和触头不同步接 触问题，而未解决启动器的维修和 极板移动装置的优化问题。8.易修无刷自控电机软起动器2010年，为克服现有无刷水电 阻启动器的不足，即：A、为防止漏 液，将启动器外壳全部电焊死，无法更换维修内部元件；13、现有无刷 水电阻启动器，在电机启动初期， 启动电流随电机转速升高而显著下极板盘石墨板动触头個板諦触头降，无法达到恒电流恒转矩启动电机的H的。作
15、者申请了易修无刷自控电 机软起动器实用新型专利。易修无刷自控电机软起动器的结构如图5所示，它由轴套、前盖板、接线柱、外圆环、后盖板、静极板、 动极板、安全排气阀、防爆膜片、密 封环和极板移动接触装萱等构成。它 的联接关系是：轴套与前盖板可通过 螺母联接；前盖板与外圆环可通过螺 栓联接；后盖板与外圆环可通过螺栓图4轴介接线柑弹廣联接轴 惯性块 联接杆 动极板 下支厘极板盘外闘环密対环 肩盖板奈封环联接；后盖板与轴套间可通过螺母联 接；在四个联接处分别设有密封环及安放密封环的凹槽；为降低生产成本,可将四个联接处中的一个或两个密封面进行电焊联接;还可只安装联接螺或螺栓。当盖板设置四个轴向圆柱形密封面
16、、并增设四个橡胶或其它弹 性材料制成的密封环后，就有效解决了启动器密封与拆盖维修的矛盾。易修无刷自控电机软起动器中的极板移动装置，由上支座、联接杆、联接轴、下支座、 惯性块及弹簧构成；其联接关系是：上支座、下支座分别与前盖板和极板盘固定联接；中间 通过杆和联接轴联接；杆上还安装有惯性块；盖板和极板盘间设有阻止滑动极板盘向静极板 移动的弹簧。电机静止时，极板盘在弹簧和杆的作用下，远离静极板；当电机启动时，惯性 块在离心力的作用下，拉动杆沿径向方向移动，杆拉动极板盘沿轴向向静极板移动。易修无 刷自控电机软起动器中的极板移动装置，为保证与静极板间的绝缘距离，所述的上支座、杆、 联接轴、下支座、惯性块及
