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隔爆型绕线转子三相异步电动机实现无刷自启动的探讨

字号+ 作者: 来源: 2010-03-22 13:39 我要评论( )

 

0  概述

防爆型三相异步电动机从防爆类型上分有隔爆、增安、正压通风等多种形式,但从转子绕组的结构形式上分只有两种,即鼠笼型和绕线型。鼠笼型电机有结构简单的优势,绕线型电机也有其独特的性能优势。能否将二者的优势进行互补?下面结合该主题进行探讨。

1  鼠笼电机和绕线电机的性能、结构特点

11  鼠笼电机结构优点和启动性能局限

我们知道,鼠笼电机结构简单紧凑,在电机行业属于“吃电大户”,推广最为普及,需求量也占绝对份额。但与绕线电机相比,启动性能有其自身的局限性:

鼠笼电动机的启动电流一般达到额定电流的5-7倍,而启动转矩只有额定转矩的0416(小电机能达到22)。这种情况在电网条件和工艺条件允许的情况下,能够直接启动。这里的电网条件一般指电机启动时电网保证电机机端压降不大于10%;工艺条件是指电机的启动转矩满足机组系统惯量和负载的加速特性要求。但过大的启动电流、过小的启动转矩和过长的启动时间给电动机和电网将造成极大的潜在危害。

定转子绕组的发热量随其流过的电流大小成平方倍关系变化。按照上述的启动电流倍数,电机启动时的单位时间发热量是正常运行时的2549倍,产生的电磁力也将大幅度增加。过快的加热速度、过高的温度、过大的温度梯度和电磁力产生了极大的破坏力,缩短了定转子绕组的使用寿命。

特别是对一些大惯量负载,如大惯量风机、磨机,利用集肤效应降低启动电流产提高启动转矩的电机,也易出现频繁多次启动后转子断条现象。

鼠笼电机的启动转矩及机械特性在电动机做成后即成定局,无法改变其启动性能。

12  绕线电机性能优点和结构局限

隔爆型绕线转子电机的启动是通过转子三相外串电阻达到提高启动转矩、遏制启动电流的目的。通过调节外串电阻的大小,能够实现启动特性的扭转和提高,即速度一转矩曲线的轴向平移。

通过外接电阻的跟随变化能够使电机的整个启动曲线不会阶段性地出现中间凹陷,从理论上讲基本能够实现以最大转矩做启动转矩。

由于外串电阻的变化能够使电机的启动特性发生变化,故现行的国家标准中对电机的启动电流、启动转矩等启动性能指标未做要求,仅对最大转矩有要求。

在重载启动时,与鼠笼电机相比有其独特的优势。故多与磨机、大惯量的风机及深井泵配套使用。

绕线电机特有的性能优势是鼠笼电机无法取代的,但其自身的缺点也制约了该类电机大范围、多领域的推广,主要表现在如下几个方面:

1)该类电动机为实现外串电阻,其主体必须装有转子电流、电压引出装置——电刷、集电环、带单独的隔爆型转子接线盒,并且必须带有结构复杂和多方位连锁的启动控制和保护装置。

2)过载运行时无法实现转子电阻的自动回加。

3)电刷与集电环属于该类设备的易损件,电机在使用过程中间要定期清理炭粉并巡视检查集电环的磨损情况,用户使用与维护工作量大,有时由于监控不力会造成设备被迫停机,直接影响到生产厂家的工艺流程系统乃至全线停机,直接造成较大的经济损失。

4)由于绕线转子电机的转子结构比较复杂,转子温度受绝缘材料耐热等级的约束,单机容量向大的方向开发受到限制。

2  隔爆型绕线电机实现无刷自启动的方法与原理

绕线电机实现无刷自启动并不是抛开绕线电机自身的机与电的机理,而是将外接电阻和控制回路浓缩设计成一个无刷自启动器,直接将该启动器安装在电动机的转子本体上,取消了集电环和电刷。

这样一来,隔爆型无刷自启动绕线电机就克服了鼠笼异步电动机启动电流大,启动转矩小及绕线式异步电动机装有电刷、集电环和复杂的启动装置的缺点;保留了鼠笼电动机结构简单、维护工作量小和绕线电机启动电流小、启动转矩大的优点。

3  隔爆型绕线电机实现无刷自启动的可能性

隔爆型绕线电机实现无刷自启动的过程是将一种无刷自启动器接人了转子回路,甩掉了普通绕线电机本身所带的集电环、电刷等易损件。隔爆型绕线电机实现无刷自启动的可能性有多大,电机的可靠性有多高是令人关注的问题。

31  无刷自启动器的原理及可行性

隔爆型绕线电机启动时转子外电路通常串频敏变阻器、干式铸铁电阻、水电阻或其他干式电阻。一般大容量电机多用水电阻,小容量电机多串频敏变阻器或干式电阻。

下面对频敏变阻器启动和启动变阻器启动两种方法进行对比分析:

常规频敏变阻器启动:

我们知道:电感性元件具有“阻交流通直流”的特性,而频敏变阻器启动是利用绕线电机启动时转子频率由50Hz向下衰减到35Hz的特征进行启动的。频敏变阻器是一种无触点电磁元件,相当于一个铁心损耗特大的三相电抗器。在启动过程中,频敏电阻器的电抗值和对应于铁心涡流损耗的等效电阻值随着转子的频率下降而自动减小。因此不需要经过切换电阻就可以把电机平稳的启动起来。

常规变阻器启动:

使用变阻器法启动有两种:

第一种为电阻的有级改变;

第二种为电阻的无级改变。

干式电阻很难实现无级改变,干式电阻的有级改变不再赘述。随着科技的发展,水电阻能够较容易的实现无级改变。无级水电阻启动的原理是:水电阻是利用一个水槽,将一定配比的碱性液体置于水槽内,水槽两边设铜质极板,一端为定极板,一端为动极板,通过外设动力驱动动极板,改变两极板间的距离达到改变电阻的目的(电阻的阻值大小与动定极板的间距大小成近似正比关系),该电阻的改变是人为通过驱动机构设定的,电阻的切换时间利用驱动执行机构及其执行时间来设定的。通过程序控制平稳移动动极板,最终达到电机平稳无级启动的目的。

无刷自启动器是将绕线电机外接的频敏变阻器、水电阻或其他串入的电阻性(或电感性)元件及电控设备通过特殊浓缩设计达到化零为整,直接移到电机旋转轴上的一种装置。

该装置从原理上讲,对不同的电阻类型有不同的实现办法:

1)液体电阻的实现办法

利用电动机转子旋转所产生的离心力实现液体电阻器极板移动,达到改变电阻的目的,并通过弹簧的反向拉力使极板在不同转速下达到不同的平衡点,进而获得对应的电阻值,使启动器的阻值在启动时,随着电机转速的逐渐攀升实现由大到小的变化。

停机时,由弹簧的反向拉力使动极板移动到极板间距最大处,此时电阻阻值最大。并且,在电机因过载而减速时,能够实现电阻的自动调节,达到增大转矩遏制电流的作用,电机的过载能力明显增强。由于水电阻的热容量较大,能够应用于较大容量的电机。

2)频敏变阻器的实现方法

将频敏变阻器通过特殊设计,直接移动到电机的旋转轴上并配上特制的离心开关完全能够实现自启动。

具体办法:启动过程中频敏变阻器直接接入转子中进行启动,启动结束后根据电机转速,利用离心开关将其关掉,避免电机长期运行中的无效发热对频敏变阻器的损坏,但面临多次重复启动的发热问题。

3)干式电阻器的实现方法

将干式等值电阻器等值分列成三相若干组串联固定在圆盘上,圆盘固定在旋转轴上,中间每组间均抽头形成触点排,利用离心开关在转速的上升过程中进行逐级切除,实现电机的有级启动,原理如图1所示。

1.外风扇 2.外风罩 3.前端盖 4.绕线转子 5.定子 6.转子引线

7.定子接线盒 8.转子接线盒 9.后端盖 10.刷架 11.电刷 12.集电环 13.隔爆盖

1  无刷绕线电机转子接线原理图

由于不同电阻器的类型不同,在实现旋转过程中的关键技术和侧重点也各不相同。

比如:液体电阻要考虑和解决液体的密封、沸腾、腐蚀、加液的问题;

频敏变阻器要解决动态绝缘结构、发热与散热、载流能力等问题;

干式电阻器要解决旋转状态下,触点排接触的问题。

从理论分析及实践上证明上述方法的启动器均能在一定载流范围(即对应于电机的一定功率范围)内得以实现。

32  隔爆型绕线电机实现无刷自启动的可行性

321  整机原理的可行性

从上面总体分析可知:隔爆型绕线电机实现无刷自启动从原理上讲是可行的。整机的可靠性,一方面取决于电机的主体性能(如转子电流与电压的分配,定转子电密及热负荷的选择等),另一方面更取决于无刷启动器产品的研发状况。无刷启动器在实现上述基本功能的基础上,如何保证其可靠性是整机研制成功的关键问题之一。

322结构的可行性

隔爆型绕线电机的结构如图2所示,它是由前、后端盖、定子、转子、轴承装置、定子接线盒、转子接线盒、集电环、刷握、电刷等组成。

隔爆型绕线电机实现无刷自启动后的结构如图3所示,它是由前、后端盖、定子、转子、轴承装置、定子接线盒及无刷自启动器等组成。与普通隔爆型绕线电机相比,少了转子接线盒、集电环、刷握、电刷等部件,结构简化了许多。

1.外风扇 2.外风罩 3.前端盖 4.绕线转子 5.定子

6.转子引线 7.定子接线盒 8.后端盖 9.无刷自启动器

2  绕线转子电机常规结构图

3  绕线电机实现无刷自启动后的电机结构图

323  防爆安全的可行性

隔爆型绕线电机实现无刷自启动后的防爆结构如图4所示。

与普通隔爆型绕线电机相比:

1)主防爆腔:电机的主防爆腔的防爆结构和隔爆参数在改进前后没有发生任何变化。

2)集电环防爆腔:原来集电环防爆腔是枢纽,一端通过轴承装置和轴上转子穿线孔与主防爆腔相连,另一端与转子接线盒相连。换上无刷启动器后,取消了转子接线盒和相应的观察窗装置,简化了电机的防爆结构。

3)取消了转子接线盒防爆腔。

从电机的主体上讲:在原有的基础上提高了防爆安全性。

4  隔爆型绕线电机实现无刷自启动后的隔爆结构示意图

4  结论

隔爆型绕线电机实现无刷自启动从原理、结构和防爆安全性上讲是可行的。但其中涉及到一些关键部件的开发难度相当大,无刷启动器的允许容量将直接制约着该类电机的容量,其可靠性也决定着该类电机的可靠性。自启动器在隔爆腔内的散热也是必须考虑和解决的问题。

隔爆型绕线电机实现无刷自启动将是绕线电机一次“脱胎换骨”的转变,并有其独特的优点:

1)能够根除使用集电环、电刷所造成的各种危害,去掉传统、复杂的启动装置,操作方便,减少维修工作量和费用;

2)节省空间和二次回路电缆;

3)电机运转过程中,如出现过载,通过离心力的调节能够向转子自动加入电阻,提高了电机的过载能力;

4)融合了鼠笼电机和绕线电机两者的优点,并摒弃了各自的缺点。

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