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無刷自控電機(jī)就是一種克服了鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小；繞線式異步電動(dòng)機(jī)裝有碳刷、滑環(huán)和復(fù)雜的啟動(dòng)裝置等缺點(diǎn)；而保留了鼠籠電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)工作量小；繞線電機(jī)啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)。它的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。無刷自控電機(jī)能根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，自動(dòng)控制串入電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的電阻大小，達(dá)到增加電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少電機(jī)啟動(dòng)電流和實(shí)現(xiàn)繞線式異步電動(dòng)無刷運(yùn)行的目的。它不但能使異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩（0.4--1.6Me）和啟動(dòng)時(shí)間保持不變，還能使電機(jī)以最大轉(zhuǎn)矩（1.6--3.1Me）啟動(dòng)。它可以代替鼠籠電機(jī)及其啟動(dòng)裝置；繞線電機(jī)的滑環(huán)、碳刷及其啟動(dòng)裝置。它可利用普通繞線式異步電動(dòng)機(jī)，去掉滑環(huán)、碳刷及啟動(dòng)裝置，并更換成無刷自控電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器后獲得。

2. 過大的啟動(dòng)電流和過小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩造成的危害

普通異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的5--7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定轉(zhuǎn)矩的0.4--1.6倍。它在電網(wǎng)條件（電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)壓降小于10%）和工藝條件（啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩滿足）允許的情況下，可以直接啟動(dòng)。但過大的啟動(dòng)電流、過小的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過長的啟動(dòng)時(shí)間給電機(jī)和電網(wǎng)造成了極大的危害。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的6--7倍時(shí)，線圈發(fā)熱量是電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)的36--49倍，產(chǎn)生的電磁力同樣達(dá)到了36--49倍。過高的溫度、過快的加熱速度、過大的溫度梯度和電磁力，產(chǎn)生了極大的破壞力，縮短了定子線圈和轉(zhuǎn)子銅條（特別是轉(zhuǎn)子常利用趨膚效應(yīng)現(xiàn)象，降低啟動(dòng)電流，轉(zhuǎn)子銅條在啟動(dòng)時(shí)，表面的溫度達(dá)到350℃以上）的使用壽命。如柳鋼公司燒結(jié)廠29m2燒結(jié)主風(fēng)機(jī)電機(jī)為兩臺(tái)1000KW鼠籠電機(jī)，全壓直接啟動(dòng)，1997年一年內(nèi)累計(jì)燒毀電機(jī)六次。1998年開始采用降壓啟動(dòng)后，到2002年止，已累計(jì)運(yùn)行4年，再?zèng)]有出現(xiàn)一次電機(jī)燒毀事故。正因如此，有關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示：電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)間不及電機(jī)運(yùn)行時(shí)間的0.1%，但故障率占到電機(jī)全部故障率的30%以上。

電機(jī)的供電裝置一般是按電機(jī)額定電流選擇的，過大的啟動(dòng)電流往往造成供電裝置的觸頭發(fā)熱，觸頭周圍絕緣老化，也是供電裝置損壞的一個(gè)主要原因。如南陽煉油廠丙烷裝置，其供電變壓器容量為800kvA，而最大電機(jī)容量只有130kw，完全具備電機(jī)直接啟動(dòng)的條件，但過大的啟動(dòng)電流，在2001年內(nèi)，三次造成低壓開關(guān)柜短路，生產(chǎn)裝置三次停產(chǎn)檢修，給該廠造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。

由于上述一些原因，大容量的電動(dòng)機(jī)在電網(wǎng)和工藝條件均滿足的情況下，也常采取減少啟動(dòng)電流的措施，以提高供電的可靠性和降低電機(jī)的故障率。但啟動(dòng)裝置過高的價(jià)格（特別是中高壓電動(dòng)機(jī)，軟啟動(dòng)裝置+啟動(dòng)開關(guān)柜等的價(jià)格是電機(jī)價(jià)格的1.5倍以上）、復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不但增加了用戶的成本和降低了電力拖動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)電流的平方成正比，當(dāng)采用降低定子電壓啟動(dòng)方式時(shí)，如啟動(dòng)電流由6Ie降到了3Ie時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩將減少4倍，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間增大5倍以上。正因如此，對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求比較大、啟動(dòng)時(shí)間要求比較短的電機(jī)，只能利用繞線式電機(jī)代替鼠籠式電機(jī)。

繞線式電機(jī)因其有碳刷、滑環(huán)及啟動(dòng)控制系統(tǒng)，無法用在對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)可靠性及免維護(hù)性要求比較高的場合。如油田廣泛使用的抽油機(jī)，需要大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩電機(jī)，但因它們?nèi)堪惭b在野外，數(shù)量具大（年產(chǎn)原油18萬噸的河南油田，其抽油機(jī)電機(jī)數(shù)量就超過2千臺(tái)、大慶油田超過5萬臺(tái)），為提高電機(jī)拖動(dòng)的可靠性，不得不采用鼠籠電機(jī)；同時(shí)，為了增加啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又不得不增加電機(jī)容量。使得抽油機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載率不及電機(jī)額定功率的30%。它不但增加了電力拖動(dòng)系統(tǒng)成本、還降低了電機(jī)的固有效率，浪費(fèi)了大量的能源。

為了說明無刷自控電機(jī)的優(yōu)越性，現(xiàn)以一臺(tái)1400KW、ne =1488r/min、6KV、Ie =154.A、Ist/Ie=6.38、Mmax/Me=2.3；的鼠籠型電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)主風(fēng)機(jī)和一臺(tái)1400KW的繞線式電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)相同的負(fù)載，并均配置水電阻軟啟動(dòng)器（水電阻啟動(dòng)器的價(jià)格只及可控硅、磁飽和電抗器軟啟動(dòng)器的1/2）為例，說明其設(shè)計(jì)方法、啟動(dòng)性能和拖動(dòng)系統(tǒng)成本。

3. 鼠籠電機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)

該拖動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2所示，它一般由運(yùn)行高壓開關(guān)柜DL1、啟動(dòng)高壓開關(guān)柜DL2、隔離開關(guān)K柜和水電阻R及其控制裝置等構(gòu)成。其中水電阻R及其控制裝置，就是在一個(gè)裝滿導(dǎo)電液體如鹽水中，插入兩個(gè)電極，形成電阻。其電阻的大小與電極的距離成正比，調(diào)節(jié)電極板的距離，就能調(diào)整這個(gè)電阻的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)定子電流的目的。將這樣的可變電阻串入電機(jī)的定子回路，就可以平滑地啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)。

電機(jī)定子線圈串入三相對(duì)稱電阻后：

以該風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)閥門全關(guān)閉后啟動(dòng)電機(jī)，并設(shè)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的加速度力矩為10%電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩，可作出表（標(biāo)么值）1：

轉(zhuǎn)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

轉(zhuǎn)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

全電壓轉(zhuǎn)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

全電壓下電流 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

風(fēng)機(jī)空載轉(zhuǎn)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

軟啟動(dòng)電流 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

電機(jī)電壓 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

電阻上電壓降 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

電機(jī)輸出轉(zhuǎn)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

水電阻功率 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

在此狀態(tài)下，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間為69秒，消耗的平均電功率為2300kw、消耗的電能約44kwh（能使475kg水從20℃升到期100℃）。該電機(jī)啟動(dòng)完畢后，還需由操作工（或時(shí)間繼電器）合上運(yùn)行高壓開關(guān)DL1，斷開啟動(dòng)開關(guān)DL2和K后，才能開啟風(fēng)機(jī)負(fù)載閥門，否則將威脅電機(jī)和啟動(dòng)裝置的安全運(yùn)行。

該拖動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)價(jià)格約為17萬元、啟動(dòng)柜及隔離開關(guān)柜約12萬元、三相變阻器約需12萬元；增加三根電纜，每根按30米計(jì)，加上6個(gè)電纜頭，約需4.5萬元，如不計(jì)基建[變阻器+啟動(dòng)及隔離開關(guān)柜體積約為：（1.7+1.2）×1.2×2.8 m3]費(fèi)用，總計(jì)費(fèi)仍將高達(dá)45.5萬元（不計(jì)電機(jī)為28.5萬元）。