无刷自控软起动器起源及发展
翟佑华 付 军
河南油田南阳石蜡精细化工厂 河南油田党政办(473132)
摘要：本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每一个步骤所带来的技术进步。特别是无刷自控电机软起动器的生产和使用过程中发现的不足及解决的办法，使读者对无刷自控电机软起动器有一个全面的了解和认识。
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
背景技术
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，而普通的鼠笼型电机起动比小于0.2）。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：（1）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、电缆等引到地面控制柜，控制设备复杂，运行维护成本高；（2）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；（3）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；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，自三相绕线式转子交流异步电动机诞生开始，人们就一直探索无刷运行。
1．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，转子电流回路是闭合的，无法串入电阻。人们从转子槽形入手，设法利用转子电流，在电机启动时，频率较高，深槽部分漏磁通多，阻抗大，出现启动电流较小的“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目的。由于它人为地增加了电机转子漏抗和转子电阻，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运行性能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、工作环境较恶劣、单机容量较少的场合，如油田的抽油机等。
2．双绕组电机
《中小型电机》杂志2001年第四期64页上公开了一种“无刷双绕组三相异步电动机”（简称：双绕组电机）。它是利用两套定子绕组和两套转子绕组的方法实现无刷运行。两套转子绕组并联后与装在转子上的旋转电阻相联接，通过改变两套定子绕组输入电源的相位，来改变转子电阻的端电压，达到增加电机启动转矩、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的目的。但该电机存在以下不足之处：
A、有两套定子绕组和两套转子绕组，增加了电机的体积、材料消耗和人工成本；
B、控制电路复杂，增加了电机用户的成本和维护工作量；
C、开发该电机需重新设计、制造电机外壳和转轴，增加了电机的开发成本；
D、对外接线有9根，可以组成几十种接线方式，如有一种不按规定接线，就会造成电机不能正常工作，甚至短路等损坏电机事故；
E、人工通过控制开关改变启动过程中的电机输入电源的相位，达到减少启动电流、增加启动转矩的目的。由于电机启动时间很短（约3-10秒），在这个很短的时间内，由人工通过控制开关切换电机的六个档位，很难保证控制状态处于最佳：即很难保证在启动过程中，电机电流处于最小、转矩处于最大的目的。
3．无刷电机
申请号为99115551.3、名为“无刷绕线式三相异步电动机电机”（简称：无刷电机）的发明专利；专利号为：ZL98224515.7，名为“无刷无环启动器”的实用新型专利，均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，转子电流要通过频敏电阻，从而降低了电机的效率和增加了转子频敏电阻的发热量。频敏变阻器是一个电感，起动比较小，同时，为减少这个发热量，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，因它的主要性能同深槽或双鼠笼电机相当，所不同的只是一个利用“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放在电机的转轴上，且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。
4．无刷自控绕线式异步电动机
2001年，作者成功地发明发一种无刷自控绕线式异步电动机。并获得专利权（专利号：ZL01277402.2）。它的任务是克服上述几种方法的不足，设计出一种高启动转矩、高效率和低启动电流的交流异步电动机。
无刷自控电机的主要技术方案是：电机组成如图1所示，它的基本结构与普通绕线电机相同；不同之处，只是在原电机装滑环的主轴输出端，去掉滑环、电刷及刷架，更换成可旋转的三相电阻（3）和离心开关（2）。
无刷自控电机控制原理如图2所示，即：转子电阻（3）由装在转轴上的离心开关（2）根据电机的转速进行自动控制。转子电阻（3）可为普通的恒定电阻或频敏电阻。如用恒定电阻，可适当增加电阻切换的档数，改善电机的启动性能；如用频敏电阻，只需一个档位。全部附加电阻（3）在电机转速接近额定转速时，由离心开关（2）自动短接，以减少电机在转子附加电阻（3）上的功率消耗，提高电机的效率。
离心开关的结构如图（3）所示，它是由动触头（11）、静触头（12）、弹簧（14）、惯性快（15）和联杆（18）等元件构成。它的动作原理是根据离心力F=mω2r和弹簧的弹力F=KS制成的。离心开关动作的转速，可以通过改变离心开关弹簧（14）的弹力系数K和行程S、惯性块（15）质量m的大小和惯性块（15）与轴心的距离r等参数进行调整。离心开关（2）在转盘（9）上的分布应是对称的，以减少电机的振动。
无刷自控电机由于只需一套转子电阻（3）、一套离心开关（2）、一个定子绕组（5）和一个转子绕组（4）就能实现绕线式三相异步电动机的无刷运行。电机启动时，全部附加电阻均串入转子线圈中，增加了电机的启动转矩和减少了电机的启动电流；电机转速接近额定转速（正常运行）时，转子附加电阻（3）又全部由离心开关（2）短接，保证电机不因附加电阻而降低效率。它不但可用于新电机的开发，还可用于旧电机的改造上。
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本高，体积大；3、金属电阻的热容量小，体积大。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，作者申请了无刷自控电机软启动器发明专利（专利号为：031128092）。无刷自控电机软启动器的结构如图4所示，它是为大中型电机启动而设计的。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4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。
但它存在以下不足：1、没有涉及极板电腐蚀问题，金属极板通过交流电流时，会产生电化学腐蚀，从而缩短了无刷自控软启动器的使用寿命。2、排气阀是靠安装在阀门上的惯性块控制，由于电解液旋转速度滞后电机转轴速度，当排气阀打开后，液体会因转速未达到“离心”状态，液体会从排气孔喷出。3、大型电机如启动失败（堵转），会产生数千千瓦的功率，仅靠安全阀和排气阀无法及时排出产生的大量蒸汽，会发生爆炸（已在用户手中出现过一次爆炸现象，幸亏没有伤着人）。
6. 无刷自控电机软起动器
2008年，作者为克服无刷自控电机软启动器的不足，申请了无刷自控电机软起动器实用新型专利（专利号为：200820172688.7）。无刷自控电机软起动器的结构如图5所示，它由圆柱型外壳(1)、弹簧(2)、动极板(4)、静极板(7)、接线柱(9)、安全排气阀(8)、防爆膜片(10)和极板移动短接装置等构成。动极板(4)滑配在外壳(1)的中心立柱上，动极板(4)与静极板(7)相邻面均设有(柔性)石墨板；静极板(7)与接线柱(9)联接，并通过绝缘子固定安装在外壳(1)上，与外壳(1)相邻面加有绝缘板。
无刷自控电机软起动器中的短接装置，由双轮（13）、轴承（12）和导轨（11）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：电机启动时，随着电机转速的升高，双轮和轴承产生的离心力逐步升高，通过导轨、轴承和双轮传递给动极板，动极板在克服弹簧的阻力后，逐步向静极板靠近，并在接近额定转速时，与静极板短接，完成电机的启动过程。
安全排气阀(8)由阀座、阀盖、阀芯、阀簧、杠杆、支点、波纹座、波纹管、波纹芯、波纹簧、波纹盖等组成。阀座、阀芯等构成一体，安装在外壳的接线柱圆盘内侧，通过阀簧使阀门关闭；波纹座、波纹管、波纹芯、波纹簧、波纹盖等构成一体，安装在外壳的接线柱圆盘外侧，之间通过杠杆、支点联接。当电机启动后，如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，电解液外圆侧的压力会升高，因波纹管(24)安装在电解液外圆侧，当电机转速达到设定值时，也会使阀门打开。
防爆膜片（10）由膜座、膜盖和膜片构成，当起动器内部压力高于防爆膜片设定压力时，膜片会破裂，将起动器内的电解液迅速排出体外，保证起动器安全可靠运行，同时，由于电解液的流失，使得电机转子开路，电机转子电流降到零，通过电机的电流只有定子空载电流，保护了电机的安全。
本发明与现有技术相比具有以下优势：1、动极板(4)与静极板(7)相邻面均设有(柔性)石墨板，使启动电流的路径由金属-电解液-金属变成金属-石墨-电解液-石墨-金属，避免了电流通过金属与电解液时产生的电腐蚀现象，延长了启动器的使用寿命。2、使用波纹管(24)感应电解液压力和转速，避免惯性块控制由于电解液旋转速度滞后电机转轴速度，而发生的喷液现象，同时将安全和排气两种阀合为一体。3、大型电机如启动失败（堵转），会产生数千千瓦的功率，仅靠安全阀和排气阀无法及时排出产生的大量蒸汽，会发生爆炸的现象。增设防爆膜片(10)，就有效防止上述现象的发生，提高了启动器的安全性，同时，由于膜片选用透明的，可作为电解液的液位指示装置。4、使用双轮、轴承和导轨构成动极板与静极板的短接装置，减少了动极板移动阻力、增加了动极板与静极板间的距离及水电阻的有效体积，简化了短接装置的结构和成本。5、导轨在靠近外壳的外圆柱处，角度忽然变小，提高了极板的短接速度，进一步提高了极板的使用寿命。同时，极板返回的转速明显低于短接转速，增加了极板短接压力，避免了极板跳跃现象发生。6、使用石墨极板，彻底避免了金属极板的熔焊现象的发生。
后记
无刷自控电机软启动器于2003年通过了江西电机产品鉴定站性能鉴定，2004年通过了浙江省2004年度首批高新产品鉴定，同时已获得了一项发明专利、两项实用新型专利，目前已有数千台产品在全国使用，受到了用户的好评。但作为一个将电气控制、机械设计和电化学技术有机地结合在一起的原创产品，它的不足之处在产品的初期很难初发现，但随着近七年的使用，各种问题和缺陷逐步显现。无刷自控电机软起动器是在无刷自控电机软启动器的基础上发明的，尽管在目前来看是非常完备的，但我相信，只有在实际使用和制造过程中，不但发现它的不足和改进之处，才能使它逐步成为一个起动电流小、起动力矩大、安全可靠、使用寿命长、成本低的电机起动器，最大限度地满足用户的需要的优良产品。同时，也希望与对本技术有兴趣的读者进行技术交流与探索。
作者简介
翟佑华：高级电气工程师，河南油田南阳石蜡精细化工厂设计所主任工程师，中国石油化工装备协会电气专业委员会电气专家委员，已申请专利七项，发表论文十余篇。
联系方式通讯地址：河南油田南阳精蜡厂设计所 邮编：473132 手机：13137080750 博客：http://zuh806-63.blog.163.com 电子信箱：zuh806-63＠163.com。