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        隔爆型繞線轉子三相異步電動機實現無刷自啟動的探討

        防爆型三相異步電動機從防爆類型上分有隔爆、增安、正壓通風等多種形式,但從轉子繞組的結構形式上分只有兩種,即鼠籠型和繞線型。鼠籠型電機有結構簡單的優勢,繞線型電機也有其獨特的性能優勢。能否將二者的優勢進行互補?下面結合該主題進行探討。

         

        鼠籠電機和繞線電機的性能、結構特點

        1鼠籠電機結構優點和啟動性能局限

        我們知道,鼠籠電機結構簡單緊湊,在電機行業屬于“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到額定電流的5-7倍,而啟動轉矩只有額定轉矩的0416(小電機能達到22)。這種情況在電網條件和工藝條件允許的情況下,能夠直接啟動。這里的電網條件一般指電機啟動時電網保證電機機端壓降不大于10%;工藝條件是指電機的啟動轉矩滿足機組系統慣量和負載的加速特性要求。但過大的啟動電流、過小的啟動轉矩和過長的啟動時間給電動機和電網將造成極大的潛在危害。

        定轉子繞組的發熱量隨其流過的電流大小成平方倍關系變化。按照上述的啟動電流倍數,電機啟動時的單位時間發熱量是正常運行時的2549倍,產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生了極大的破壞力,縮短了定轉子繞組的使用壽命。

        特別是對一些大慣量負載,如大慣量風機、磨機,利用集膚效應降低啟動電流產提高啟動轉矩的電機,也易出現頻繁多次啟動后轉子斷條現象。

        鼠籠電機的啟動轉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。

        1繞線電機性能優點和結構局限

        隔爆型繞線轉子電機的啟動是通過轉子三相外串電阻達到提高啟動轉矩、遏制啟動電流的目的。通過調節外串電阻的大小,能夠實現啟動特性的扭轉和提高,即速度一轉矩曲線的軸向平移。

        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中間凹陷,從理論上講基本能夠實現以最大轉矩做啟動轉矩。

        由于外串電阻的變化能夠使電機的啟動特性發生變化,故現行的國家標準中對電機的啟動電流、啟動轉矩等啟動性能指標未做要求,僅對最大轉矩有要求。

        在重載啟動時,與鼠籠電機相比有其獨特的優勢。故多與磨機、大慣量的風機及深井泵配套使用。

        繞線電機特有的性能優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、多領域的推廣,主要表現在如下幾個方面:

        1)該類電動機為實現外串電阻,其主體必須裝有轉子電流、電壓引出裝置——電刷、集電環、帶單獨的隔爆型轉子接線盒,并且必須帶有結構復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轉子電阻的自動回加。

        3)電刷與集電環屬于該類設備的易損件,電機在使用過程中間要定期清理炭粉并巡視檢查集電環的磨損情況,用戶使用與維護工作量大,有時由于監控不力會造成設備被迫停機,直接影響到生產廠家的工藝流程系統乃至全線停機,直接造成較大的經濟損失。

        4)由于繞線轉子電機的轉子結構比較復雜,轉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受到限制。

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動的方法與原理

        繞線電機實現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子本體上,取消了集電環和電刷。

        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,啟動轉矩小及繞線式異步電動機裝有電刷、集電環和復雜的啟動裝置的缺點;保留了鼠籠電動機結構簡單、維護工作量小和繞線電機啟動電流小、啟動轉矩大的優點。

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動的可能性

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動的過程是將一種無刷自啟動器接人了轉子回路,甩掉了普通繞線電機本身所帶的集電環、電刷等易損件。隔爆型繞線電機實現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注的問題。

        3無刷自啟動器的原理及可行性

        隔爆型繞線電機啟動時轉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。頻敏變阻器是一種無觸點電磁元件,相當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于鐵心渦流損耗的等效電阻值隨著轉子的頻率下降而自動減小。因此不需要經過切換電阻就可以把電機平穩的啟動起來。

        常規變阻器啟動:

        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。

        干式電阻很難實現無級改變,干式電阻的有級改變不再贅述。隨著科技的發展,水電阻能夠較容易的實現無級改變。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,水槽兩邊設銅質極板,一端為定極板,一端為動極板,通過外設動力驅動動極板,改變兩極板間的距離達到改變電阻的目的(電阻的阻值大小與動定極板的間距大小成近似正比關系),該電阻的改變是人為通過驅動機構設定的,電阻的切換時間利用驅動執行機構及其執行時間來設定的。通過程序控制平穩移動動極板,最終達到電機平穩無級啟動的目的。

        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)元件及電控設備通過特殊濃縮設計達到化零為整,直接移到電機旋轉軸上的一種裝置。

        該裝置從原理上講,對不同的電阻類型有不同的實現辦法:

        1)液體電阻的實現辦法

        利用電動機轉子旋轉所產生的離心力實現液體電阻器極板移動,達到改變電阻的目的,并通過彈簧的反向拉力使極板在不同轉速下達到不同的平衡點,進而獲得對應的電阻值,使啟動器的阻值在啟動時,隨著電機轉速的逐漸攀升實現由大到小的變化。

        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,能夠實現電阻的自動調節,達到增大轉矩遏制電流的作用,電機的過載能力明顯增強。由于水電阻的熱容量較大,能夠應用于較大容量的電機。

        2)頻敏變阻器的實現方法

        將頻敏變阻器通過特殊設計,直接移動到電機的旋轉軸上并配上特制的離心開關完全能夠實現自啟動。

        具體辦法:啟動過程中頻敏變阻器直接接入轉子中進行啟動,啟動結束后根據電機轉速,利用離心開關將其關掉,避免電機長期運行中的無效發熱對頻敏變阻器的損壞,但面臨多次重復啟動的發熱問題。

        3)干式電阻器的實現方法

        將干式等值電阻器等值分列成三相若干組串聯固定在圓盤上,圓盤固定在旋轉軸上,中間每組間均抽頭形成觸點排,利用離心開關在轉速的上升過程中進行逐級切除,實現電機的有級啟動,原理如圖1所示。

        1.外風扇 2.外風罩 3.前端蓋 4.繞線轉子 5.定子 6.轉子引線

        7.定子接線盒 8.轉子接線盒 9.后端蓋 10.刷架 11.電刷 12.集電環 13.隔爆蓋

        無刷繞線電機轉子接線原理圖

        由于不同電阻器的類型不同,在實現旋轉過程中的關鍵技術和側重點也各不相同。

        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絕緣結構、發熱與散熱、載流能力等問題;

        干式電阻器要解決旋轉狀態下,觸點排接觸的問題。

        從理論分析及實踐上證明上述方法的啟動器均能在一定載流范圍(即對應于電機的一定功率范圍)內得以實現。

        3隔爆型繞線電機實現無刷自啟動的可行性

        32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(如轉子電流與電壓的分配,定轉子電密及熱負荷的選擇等),另一方面更取決于無刷啟動器產品的研發狀況。無刷啟動器在實現上述基本功能的基礎上,如何保證其可靠性是整機研制成功的關鍵問題之一。

        322結構的可行性

        隔爆型繞線電機的結構如圖2所示,它是由前、后端蓋、定子、轉子、軸承裝置、定子接線盒、轉子接線盒、集電環、刷握、電刷等組成。

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動后的結構如圖3所示,它是由前、后端蓋、定子、轉子、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,少了轉子接線盒、集電環、刷握、電刷等部件,結構簡化了許多。

        1.外風扇 2.外風罩 3.前端蓋 4.繞線轉子 5.定子

        6.轉子引線 7.定子接線盒 8.后端蓋 9.無刷自啟動器

        繞線轉子電機常規結構圖

        繞線電機實現無刷自啟動后的電機結構圖

        32防爆安全的可行性

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動后的防爆結構如圖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構和隔爆參數在改進前后沒有發生任何變化。

        2)集電環防爆腔:原來集電環防爆腔是樞紐,一端通過軸承裝置和軸上轉子穿線孔與主防爆腔相連,另一端與轉子接線盒相連。換上無刷啟動器后,取消了轉子接線盒和相應的觀察窗裝置,簡化了電機的防爆結構。

        3)取消了轉子接線盒防爆腔。

        從電機的主體上講:在原有的基礎上提高了防爆安全性。

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動后的隔爆結構示意圖

        結論

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動從原理、結構和防爆安全性上講是可行的。但其中涉及到一些關鍵部件的開發難度相當大,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。自啟動器在隔爆腔內的散熱也是必須考慮和解決的問題。

        隔爆型繞線電機實現無刷自啟動將是繞線電機一次“脫胎換骨”的轉變,并有其獨特的優點:

        1)能夠根除使用集電環、電刷所造成的各種危害,去掉傳統、復雜的啟動裝置,操作方便,減少維修工作量和費用;

        2)節省空間和二次回路電纜;

        3)電機運轉過程中,如出現過載,通過離心力的調節能夠向轉子自動加入電阻,提高了電機的過載能力;

        4)融合了鼠籠電機和繞線電機兩者的優點,并摒棄了各自的缺點。

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