无刷变阻起动器在氧化铝厂的应用

[摘要] 本文简述了绕线式异步电动机的应用现状，无刷变阻起动器的产品结构特点，工作原理，以及在氧化铝厂的推广使用状况。
[关键词] 起动器；无刷起动器；电磁元件；变阻器；转子回路；稳速
[中国分类号]TF821 [文献标识码]B [文章编号]1008-5122（2004）04-0003-03
1、概述
三相绕线式异步电动机是氧化铝厂主要的拖动设备之一，由于它的转子上可以外接电阻或电抗，在启动时具有较高的功率因数和较高的启动转矩以及能改变运行速度等优点，被广泛应用于球磨机、熟料窑、鼓风机、真空泵等设备上作为拖动设备。但是，绕线式异步电动机在启动时必须在电动机转子回路中串接电阻或电抗器以增加电动机的启动力矩，降低启动电流。在启动过程中，这个电阻或电抗的数值还要从大到小逐级变化，直到最后为零时，电动机启动过程才结束，进入运行状态，要借助一个复杂的辅助启动装置才能完成电动机的启动过程。它的启动辅助设备较为复杂，主要有接入电阻用的滑环、电刷、分段切除的金属电阻（或者特性曲线较为平滑的频敏电阻），短接转子回路的提刷短路装置和交流接触器。这套装置安装、调试复杂、操作麻烦，事故率多、维修困难、备件消耗量大、检修费用高。且由于分段切除电阻，使电动机的启动特性曲线成阶梯状，不能平滑启动和实现无级变速，特性较差，能耗大。
现在常用的频敏变阻器，克服了分段切除电阻产生的阶梯状特性曲线的特点，在电动机启动过程中实现了电阻线性变化，无级变速，特性曲线平滑可靠。但它只解决了电动机的启动特性问题，没有解决电动机复杂的启动辅助装置。
无刷变阻起动器既解决了金属电阻及电抗器启动特性差的特点，又解决了常用频敏电阻启动辅助装置复杂的问题，把绕线式电动机原二次回路系统复杂的启动辅助装置组成一个无触点电磁元件，直接安装到电动机转子轴上，解决了绕线式电动机启动装置的一大难题，显示了强大生命力。
2、工作原理
无刷变阻起动器是利用频敏变阻器原理研制出来的新型线性变阻启动器，它是原二次回路系统的多触点元件组成一个无触点电磁元件，相当于一个等值阻抗串入绕线转子的回路中，作为启动时可变阻的启动设备，它与传统的频敏变阻起动器最大的区别就是：在帮助电动机完成变阻启动任务之后仍参与电动机拖动全过程，而传统的频敏变阻器是不能参与电动机拖动运行的，如果不及时切除频敏变阻起动器，会造成变阻器过热，甚至烧毁，异步电动机不能在正常转速下进行，电流升高，甚至会烧毁电机。
无刷变阻起动器采用最佳磁路原理，它由线圈绕组、内外铁芯、轴套、轭板、接线柱等零件组成一个无触点电磁元件。它安装在原电动机转子上的滑环位置。它的独特结构特点使无刷起动器在启动开始时具有较大的阻抗值，而在运行状态时阻抗值几乎为零。整个启动过程阻抗值线性变化，曲线平滑，实现了电动机的启动无级变速，平稳可靠，且启动力矩大，启动电流小。当电动机定子回路刚接通电源的瞬间，感应到转子绕组回路的电压频率为50Hz，作用到启动器线圈上就成为一个较大阻抗的负载带到转子回路里，因此转子回路电流变小，而对应定子回路中电流值也变小了，随着转速由慢到快变化，转子回路感应电压的频率也由高到低变化，当转子达到额定转速时，转子回路的感应频率也接近零值，启动器的阻抗也接近零值，完成了绕线电动机的启动任务，此时，启动器仍参与电动机的运行。由于此时启动器的阻抗值接近零值，相当于碳刷滑环的运行状态。故无刷变阻动器不会影响电动机的正常运行，是一种理想的启动装置。
3、应用实例
3.1 无刷变阻起动器在真空泵上的应用
1999年4月份，首先对四车间3#真空泵电机进行了改造，真空泵电机是广州电机厂生产的JR127-6 185kW电动机，它采用二次回路串频敏电阻器启动方式，采用提刷短路机构和交流接触器配合短接转子回路。操作极为不便，常因短路启动烧坏短路接点和电动机转子线圈，有时因短路机构不灵活烧坏短路接点，电机滑环及碳刷经常发生故障。备件消耗量大，检修费用高，满足不了生产要求。改造后，去掉了绕线式电动机的启动辅助装置、频敏变阻器及二次线路，操作简便，操作工再也不用为短路启动犯愁了，且检修十分方便，运行六个多月来，未发生一次故障，且操作简单，运行平稳，深受操作工人喜爱，改造前后见表1所示。
表1 真空泵电动机改造前后技术数据对比
启动电 启动时 功率 运行电 工作温 年节电
流(A) 间(S) 因数 流(A) 度(℃) 效果(元)
改造前 560 12 0.86 220 55
改造后 540 8 0.87 210 40 20148
注：电价0.46元/kWh
从改造前后技术数据对照表可看出：改造后电动机的启动电流减小了，启动性能改变了，且运行电流下降，功率因数提高了。在环境温度为30℃的情况下，启动器的运行温度小于40℃，启动性能良好，是一种理想的启动元件。
3.2无刷变阻起动器在球磨机上的应用
在对全厂十几台真空泵成功改造的基础上，我们对四车间2#湿磨进行了改造。2#湿磨是一台球磨机，配用电机JR128-8 155kW绕线式异步电动机，采用频敏变阻器启动。由于球磨机停车时，钢球堆积在磨子底部，且磨子底部残留许多积料，启动相当困难，有时不得不在原频敏电阻的基础上串联一段金属电阻来改变电动机的启动特性。采用无刷变阻起动器后，电动机的启动性能大大改善，启动转矩大大提高，启动电流降低，启动时间短，完全满足了电动机的启动要求，解决了长期困扰我们的难题，减少了大量的检修时间，为其它球磨机的改造奠定了基础。由于球磨机进料量的变化及生产工艺条件的改变，电动机会过载使电流升高，以至过流动作使电动机停止运行。由于负载电流大，电动机的滑环碳刷就会发热，刺火，甚至烧红碳刷，灼伤滑环，以至烧毁电动机转子线圈。采用无刷变阻起动器后，当电动机由于过载而减速运行时，转子回路的感应频率随转速下降而升高，启动器的阻抗值相应增大，从而既增大了电动机的拖动力矩，还可使电动机的电流减小，避免了球磨机因过流而跳闸。实际运行中，当负载发生变化时，电动机电流发生波动后，电动机的转速能迅速恢复正常，电动机的转速基本保持不变，所以说无刷变阻起动器具有稳速功能。
3.3无刷变阻起器在高压电机上的应用
煤粉磨电机是磨制煤粉的高压电机，电机为JR157-8 320kW绕线式异步电动机，额定电压为6KV，转子电压为501V，转子电流为391A，采用频敏变阻器启动。煤粉车间防火等级要求较高，绕线式异步电动机的启动装置较为复杂，且存在安全隐患。煤粉磨属于球磨机，具有球磨机的所有特性，由于磨制干煤粉，负荷相对湿磨较低，因此我们在对湿磨电机成功改造经验的基础上，对煤粉磨电机进行了无刷无环改造，改造后非常成功，效果明显，改造前后对比见表2所示。
表2 高压电动机改造前后技术数据对比
启动电 启动时 功率 运行电 工作温 年节电
流(A) 间(S) 因数 流(A) 度(℃) 效果(元)
改造前 82 15 0.85 36 43
改造后 80 13 0.86 35.2 38 44326
注：电价0.46元/kWh

4、应用过程中注意的几个问题
（1） 无刷变阻起动器应选用专业厂家生产的产品，否则会造成启动困难。
（2） 应用于球磨机上应充分考虑负荷情况，合理选定过负荷系数。
（3） 系统电压低是无刷无环启动器启动困难的主要原因之一。
（4） 无刷变阻起动器不能参与调速，不能应用于调速设备上。
5、结束语
无刷变阻起动器的应用去掉了滑环、碳刷、刷盒、短路环二次回路等复杂的启动系统，不但可以直接启动，而且还保持了绕线电动机的优良性能，同时在负载过载时具有稳速功能。是操作简便，免维修，运行无事故，节能高效的绕线电动机启动设备。无刷变阻起动器的应用，大大简化了操作工人的操作程序，每年可节约大量的检修费用，每台无刷变阻起动器每年节约备件费（滑环、碳刷、刷盒和短路环、交流接触器、继电器）价值约8000元左右，节电20000-50000元左右，值得在全厂范围推广。无刷启动器参与电动机启动，运行的全过程，不参与电动机的调速，不适用于需要调速的设备上，但它在氧化铝生产中仍有着广阔的发展前景。目前，氧化铝厂全部的真空泵电机、四车间球磨机电机、煤粉磨电机（高压）、煤粉桥吊卷扬电机、大车电机、8#回转窑排风机电机（高压）已全部应用无刷起动器，节能效果较为明显。