棒磨機(jī)的啟動原理分析

劉旭富

摘要：交流異步電動機(jī)按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)劃分為鼠籠式和繞線式兩類。繞線式異步電動機(jī)其轉(zhuǎn)子繞組構(gòu)造有別于鼠籠式異步電動機(jī)，且二者的機(jī)械特性，啟動方式、用途也大相徑庭。

關(guān)鍵詞：繞線式電動機(jī);特性曲線;串聯(lián)電阻;頻繁變阻器;無刷無環(huán)啟動器

0? 引言

近年來因生產(chǎn)、市場需求，公司大力發(fā)展原礦砂的再加工生產(chǎn)規(guī)模。由此洗砂廠的主要設(shè)備——棒磨機(jī)進(jìn)入了設(shè)備維修員的視野。棒磨機(jī)的原動機(jī)為繞線式異步電動機(jī)，作為異步電動機(jī)的一種基本類型，其在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟(jì)各部門中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。由于繞線式異步電動機(jī)多用于大型礦山機(jī)械，具有負(fù)載性能好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、效率可觀等優(yōu)點(diǎn)，因而在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中日益得到廣泛應(yīng)用。在此背景下，對其啟動方式及原理的相關(guān)分析，也就變得尤為必要。

1? 交流異步電動機(jī)啟動原理的概述

交流異步電動機(jī)的特性曲線又簡稱硬曲線。它的啟動方式經(jīng)綜合分類后應(yīng)分兩類：直接（全壓）啟動、降壓啟動。

各類特性曲線如圖1。

從圖1左側(cè)圖示中可以看出，交流異步電動機(jī)采用的是單純降低定子電壓來限制啟動電流措施。其的機(jī)械特性也與全壓啟動同為屬硬特性，且其啟動轉(zhuǎn)矩下降幅度較大（T

右側(cè)圖中是采用變頻器啟動電機(jī)的機(jī)械特性曲線，它因在降壓的同時降低了頻率，使其轉(zhuǎn)速降低，其啟動轉(zhuǎn)矩特性稍軟，啟動轉(zhuǎn)矩接近Tst，所以啟動電流低且平滑。適用于輕、中載啟動且有調(diào)速運(yùn)行需求的負(fù)荷。

2? 交流繞線式異步電動機(jī)的啟動方式

2.1 基本原理

由于交流異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，求取轉(zhuǎn)矩的公式為：

T≈kTU12SR2/[R22+（SX20）2]

式中：kT為同電機(jī)自身特性有關(guān)的常數(shù);U1為定子輸入電壓;R2為轉(zhuǎn)子電阻;X20為轉(zhuǎn)子漏感抗與電機(jī)制造工藝相關(guān);S為轉(zhuǎn)差率。

從式中可以看出，在選定繞線式電動機(jī)后，影響該電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的只有U1和R2兩個變量（其他都可理解成為常量，其中S與負(fù)載需求轉(zhuǎn)矩有關(guān)，在特定負(fù)載下也可視其為常量）。繞線式電動機(jī)就是利用這一點(diǎn)，規(guī)避以降低定子電壓來減小啟動電流的方式，克服了定子控制式啟動器的啟動轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比的這一缺陷。采用增加轉(zhuǎn)子回路電阻的阻值來提高電磁轉(zhuǎn)矩。同時轉(zhuǎn)子回路因增加了額外電阻，造成轉(zhuǎn)子電流降低從而引導(dǎo)定子電流跟著降低（基本于電動機(jī)近似于變壓器原理）。這樣既限制了電機(jī)的啟動電流，又獲得可觀的啟動轉(zhuǎn)矩（Tst

2.2 繞線式異步電動機(jī)改變轉(zhuǎn)子回路電阻的方式有如下三種

2.2.1 分級串聯(lián)電阻可獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩和有級調(diào)速性能

在繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入適當(dāng)?shù)碾娮瑁罐D(zhuǎn)子回路的電阻增加，使轉(zhuǎn)子和定子在起動時電流減少，起動轉(zhuǎn)矩略為減小。另一方面由于轉(zhuǎn)子回路電阻增加后，轉(zhuǎn)子回路的功率因數(shù)增加使起動轉(zhuǎn)矩又相應(yīng)增大。

在繞線式異步電動機(jī)串電阻起動結(jié)束后，如果不是用于調(diào)速，需及時切除串入的電阻。因?yàn)殡姍C(jī)空、輕載運(yùn)行時，轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速，所以轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流極小，即電阻上能耗很小。一旦帶上負(fù)載，轉(zhuǎn)子上的感應(yīng)電流增大，此時不及時切除起動電阻，電阻就會消耗有功功率，所以若無需串級調(diào)速就需要切除電阻。

在繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入專用的附加電阻，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率加大，電動機(jī)在較低的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。串進(jìn)的電阻越大，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速越低，屬有級調(diào)速。此方法設(shè)備簡單，控制方便，但轉(zhuǎn)差功率在電阻上以發(fā)熱形式消耗。

因切換電阻的附屬設(shè)備較多、電阻能耗較大、分級切換電阻時電流有沖擊、頻繁切換導(dǎo)致故障隱患也就較多。其僅適用于重載啟動的橋式起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等設(shè)備。

我司洗砂廠棒磨機(jī)采用的是可實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)節(jié)阻值的液態(tài)電阻。

2.2.2 頻敏變阻器是一種有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的無觸點(diǎn)原件

在繞線式電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路中串入頻敏變阻器的啟動過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率變化引導(dǎo)轉(zhuǎn)子電流頻率變化，而變阻器阻抗是隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的變化而變化，從而改變電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的回路阻抗。

剛開始啟動時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速很低，轉(zhuǎn)子電流頻率接近工頻，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，變阻器的阻抗隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的降低而自動減小，所以啟動平穩(wěn)性能好。啟動結(jié)束后，再把頻敏變阻器從電路中切除。

這種啟動方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、使用壽命長、維護(hù)方便，電動機(jī)啟動電流低而平滑。主要不足之處是，功率因素較低（可另采用靜止進(jìn)相器來提高功率因數(shù)）。

上述兩種啟動方式都需要在啟動完成后將電阻旁路。另外，繞線式電動機(jī)因其轉(zhuǎn)子繞組與外部通過集電環(huán)、碳刷進(jìn)行電氣連接。在洗砂廠的粉塵、積水交織的惡劣環(huán)境中，集電環(huán)、碳刷、旁路接觸器因粉塵、潮濕等原因，接觸不良、受潮故障頻出。繼而出現(xiàn)碳刷壓簧彈性因碳刷發(fā)熱而降低又引起集電環(huán)與碳刷間打火、轉(zhuǎn)子回路接地、旁路接觸器觸點(diǎn)發(fā)熱、熔焊，導(dǎo)致其他相觸點(diǎn)接觸不良等形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致停機(jī)，嚴(yán)重時危及電機(jī)安全。

2.2.3 無刷無環(huán)啟動器

無刷無環(huán)啟動器是基于前述兩種啟動原理但更為可靠的一種啟動方式，它分繞組型和液阻型兩種。繞組型就是在轉(zhuǎn)子中串接電抗繞組，液組型就是在轉(zhuǎn)子中串接液態(tài)電阻。因啟動機(jī)理、特性與頻敏變阻器類似，這里不做贅述。

因?yàn)樵搯悠鳠o刷（無碳刷）無環(huán)（無集電環(huán)）的特點(diǎn)，大大減少了電機(jī)因碳刷、壓簧、集電環(huán)、旁路接觸器以及相關(guān)回路的中間環(huán)節(jié)引起的故障和投資。這也是該啟動方式的亮點(diǎn)所在！

由于無刷無環(huán)啟動器屬非常敏感元件，能及時感測轉(zhuǎn)子頻率變化自動工作，當(dāng)電機(jī)偶遇過載時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，感應(yīng)電流頻率升高，啟動器阻抗應(yīng)變增大，從而加大了拖動力矩，以維持電動機(jī)原有轉(zhuǎn)速、同時又使超載電流適當(dāng)降低，避免導(dǎo)致電氣保護(hù)裝置動作而使設(shè)備停機(jī)。這樣既保證了生產(chǎn)的連續(xù)性又提高了生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率。當(dāng)然這個自動調(diào)速過程是非常短暫的，同時限制過載電流也是有限的，如果設(shè)備長時間過載，電氣保護(hù)裝置還是會動作，這是保護(hù)設(shè)備免受破壞的必要措施。

無刷無環(huán)啟動器由于減少了轉(zhuǎn)子繞組回路的向外延伸，棒磨機(jī)控制柜即可遠(yuǎn)離電機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場安裝而安裝于控制室內(nèi)，很大程度上避免洗砂廠設(shè)備現(xiàn)場環(huán)境對電氣回路的影響。

3? 繞線式電動機(jī)的另一種啟動形式

上述以外，還有一種啟動繞線式電動機(jī)的方式。簡單而言，就是先將轉(zhuǎn)子繞組短接，使其轉(zhuǎn)變成為交流異步普通鼠籠式電機(jī)，然后利用軟啟動或變頻器裝置將電機(jī)投入電路中啟動。將繞線式異步電動機(jī)當(dāng)成鼠籠式異步電動機(jī)來使用屬降級使用，完全失去繞線式電動機(jī)應(yīng)有的優(yōu)勢。

如本文開章所述，軟啟動是以降低定子電壓來降低電流的，那么啟動轉(zhuǎn)矩會大受影響，而配備繞線式電機(jī)都是有重載啟動需求的負(fù)載。如此一來，要在額定負(fù)載下啟動電機(jī)，其啟動電流會很大，與電機(jī)功率適配的軟啟動器也必須降級才能使用。

采用變頻器啟動可以獲得很小且很平滑的啟動電流，但其裝置投資造價高。而選用繞線式電機(jī)的負(fù)載不會有較高的調(diào)速需求，故變頻器的優(yōu)勢得不到完全體現(xiàn)。

綜上所述，使用軟啟動器、變頻器啟動繞線式電動機(jī)方案性價比太低。另外，軟啟動、變頻器都屬精密電子產(chǎn)品，對工作環(huán)境要求很高，洗砂廠的環(huán)境對其工作穩(wěn)定性、使用壽命的影響也不可忽視。

4? 結(jié)束語

在繞線式電動機(jī)日益得到廣泛應(yīng)用的今天，我們越發(fā)不能忽視其重要性以及對其研究、探討的必要性。本文簡要探討歸納了繞線式電動機(jī)的幾種啟動方式。就其各自特征而言，無刷無環(huán)啟動器使繞線式電動機(jī)甩掉了復(fù)雜的啟動系統(tǒng)，能夠直接啟動，具有良好的啟動特性，其操作簡便、無需配件、運(yùn)轉(zhuǎn)無事故，基本免維修且起動器的綜合價格不及其它軟起動器的1/3等特點(diǎn)，使得無刷無環(huán)啟動器在洗砂廠棒磨機(jī)的啟動方案選擇中獨(dú)具優(yōu)越性。就企業(yè)本身發(fā)展而言，將繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)改用無刷無環(huán)啟動器能為我司節(jié)省大量備件及維修費(fèi)用，提高設(shè)備的安全運(yùn)轉(zhuǎn)率。因而該產(chǎn)品的推廣使用，應(yīng)該引起我們的重視。

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