1 繞線式電機(jī)的發(fā)展

1.1 屈氏集電器

本文作者所著《提高大功率電機(jī)變頻節(jié)能工況可靠性分析》一文發(fā)表于江蘇《機(jī)電信息》雜志2015年1月刊，文中筆者推薦的作為備用起動(dòng)的繞線式電動(dòng)機(jī)由于其自身集電裝置難維護(hù)、易損壞的致命缺陷仿佛已經(jīng)被淘汰了，但是200年傳統(tǒng)的繞線電機(jī)在鼠籠式電機(jī)各種軟啟動(dòng)蓬勃發(fā)展的同時(shí)也有了自身的發(fā)展，首先我們來了解屈氏集電器的性能指標(biāo)：⑴無抖動(dòng)——從根本上解決了傳統(tǒng)滑環(huán)抖動(dòng)而產(chǎn)生打火的問題；⑵低線速、高壽命——滑環(huán)的線速度降低一半，電刷的壽命從原來5000小時(shí)延長到現(xiàn)在30000小時(shí)，是傳統(tǒng)集電器電刷6倍；⑶滑環(huán)使用壽命平均為10年，使維護(hù)量大大減小，3年之內(nèi)免維護(hù)；

是無刷自控技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的啟動(dòng)器微型化、電流連續(xù)無級(jí)變化的優(yōu)越經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性能是無可忽視的，建議無刷自控技術(shù)應(yīng)考慮向著提升材料質(zhì)量和運(yùn)行安全的方向發(fā)展，如果無刷自控軟啟動(dòng)器的鋼材料像SKF 那么耐用，彈簧像ABB開關(guān)操作機(jī)構(gòu)那么有保證，轉(zhuǎn)速與電阻的無級(jí)變化曲線每次都能保證到達(dá)限流和提升轉(zhuǎn)矩的*佳效果，液體電阻的研究再向深遠(yuǎn)發(fā)展，*好能保證無液體電阻損失，再加裝一個(gè)裝甲車外殼材料的防護(hù)罩，總而言之，就是如果無刷自控軟啟動(dòng)器安裝之后就像轉(zhuǎn)子繞組直接短接那么可靠的話，那么它占領(lǐng)市場的時(shí)機(jī)也就指日可待了。我想申明的一點(diǎn)是無刷自控軟啟動(dòng)器不需要靠熬干液體電阻液來完成堵轉(zhuǎn)保護(hù)，這個(gè)簡單的保護(hù)完全可以由繼電保護(hù)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在應(yīng)該考慮的是怎么保證無液體電阻損失，以避免很麻煩的檢修、維護(hù)工作量。以上觀點(diǎn)只代表筆者個(gè)人意見，僅供參考。

2 繞線式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過程中限流和提升轉(zhuǎn)矩的深入分析

2.1 廠用380V繞線式電機(jī)頻敏變阻器起動(dòng)、運(yùn)行中限流控制圖a為《提高大功率電機(jī)變頻節(jié)能工況可靠性分析》中圖2的改進(jìn)設(shè)計(jì)，是個(gè)模型，明顯的亮點(diǎn)是增加了一個(gè)限流熱繼電器RJ1，不僅可以在電機(jī)起動(dòng)時(shí)串入轉(zhuǎn)子電阻，限制起動(dòng)電流，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行過程中如遇負(fù)荷突然增加也可串入轉(zhuǎn)⑷配有全自動(dòng)電刷磨損檢測裝置。我所在單位沒使用過屈氏集電器，但是我知道傳統(tǒng)的繞線電動(dòng)機(jī)要想生存，發(fā)展趨勢之一是這個(gè)。就像當(dāng)年我們使用進(jìn)口的SKF、NSK 軸承取代國產(chǎn)的HRB、ZWZ，而不是因?yàn)殡姍C(jī)的軸承總是壞就取消所有電機(jī)的軸承而以軸瓦取而代之。

1.2 無刷自控技術(shù)

因?yàn)楸疚牡淖谥际翘峁┳冾l器故障后短時(shí)間內(nèi)限流起動(dòng)的可靠備用，所以這里淺談近20年中繞線式電動(dòng)機(jī)發(fā)展的重大碩果——無刷自控技術(shù)。無可否認(rèn)無刷自控技術(shù)*終**的發(fā)展結(jié)果就是取代已經(jīng)很長時(shí)間被大家認(rèn)可的變頻器，但是無刷自控技術(shù)目前發(fā)展的水平我們還不敢保證占領(lǐng)主導(dǎo)地位，主要原因顯而易見，如果運(yùn)行過程中無刷自控軟啟動(dòng)器故障或電阻液缺失導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組開路就無法以其它的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行，所以需要連續(xù)運(yùn)行可靠性要求高的電動(dòng)機(jī)目前是不會(huì)選擇無刷自控軟啟動(dòng)器的，但是無刷自控技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的啟動(dòng)器微型化、電流連續(xù)無級(jí)變化的優(yōu)越經(jīng)濟(jì)、技術(shù)性能是無可忽視的，建議無刷自控技術(shù)應(yīng)考慮向著提升材料質(zhì)量和運(yùn)行安全的方向發(fā)展，如果無刷自控軟啟動(dòng)器的鋼材料像SKF 那么耐用，彈簧像ABB開關(guān)操作機(jī)構(gòu)那么有保證，轉(zhuǎn)速與電阻的無級(jí)變化曲線每次都能保證到達(dá)限流和提升轉(zhuǎn)矩的*佳效果，液體電阻的研究再向深遠(yuǎn)發(fā)展，*好能保證無液體電阻損失，再加裝一個(gè)

裝甲車外殼材料的防護(hù)罩，總而言之，就是如果無刷自控軟啟動(dòng)器安裝之后就像轉(zhuǎn)子繞組直接短接那么可靠的話，那么它占領(lǐng)市場的時(shí)機(jī)也就指日可待了。我想申明的一點(diǎn)是無刷自控軟啟動(dòng)器不需要靠熬干液體電阻液來完成堵轉(zhuǎn)保護(hù)，這個(gè)簡單的保護(hù)完全可以由繼電保護(hù)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在應(yīng)該考慮的是怎么保證無液體電阻損失，以避免很麻煩的檢修、維護(hù)工作量。以上觀點(diǎn)只代表筆者個(gè)人意見，僅供參考。

2 繞線式電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過程中限流和提升轉(zhuǎn)矩的深入分析

2.1 廠用380V繞線式電機(jī)頻敏變阻器起動(dòng)、運(yùn)行中限流控制圖a為《提高大功率電機(jī)變頻節(jié)能工況可靠性分析》中圖2的改進(jìn)設(shè)計(jì)，是個(gè)模型，明顯的亮點(diǎn)是增加了一個(gè)限流熱繼電器RJ1，不僅可以在電機(jī)起動(dòng)時(shí)串入轉(zhuǎn)子電阻，限制起動(dòng)電流，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，運(yùn)行過程中如遇負(fù)荷突然增加也可串入轉(zhuǎn)子電阻限制過流，提高轉(zhuǎn)矩，保護(hù)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)榇蠊β孰姍C(jī)的起動(dòng)、運(yùn)行電流很大，所以熱繼電器的發(fā)熱元件串于電流互感器的二次側(cè)，而不是直接串于電動(dòng)機(jī)電源回路中，其過熱動(dòng)作電流整定值按電流互感器變比折算。

電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程如下：按下啟動(dòng)按鈕QA，QC獲電動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電路串入頻敏變阻器起動(dòng)，同時(shí)時(shí)間繼電器SJ開始起動(dòng)計(jì)時(shí)，起動(dòng)時(shí)間設(shè)定10秒，10秒終之后時(shí)間繼電器SJ的延時(shí)閉合節(jié)點(diǎn)閉合，PC獲電動(dòng)作，短接頻敏變阻器，啟動(dòng)過程結(jié)束，起動(dòng)過程中PC的常閉節(jié)點(diǎn)短接了跳閘熱繼電器RJ的發(fā)熱元件，以避免起動(dòng)過程中熱繼電器過熱誤動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)不能正常起動(dòng)。可設(shè)定限流熱繼電器RJ1的整定值為0.8Ie，跳閘熱繼電器RJ的整定值為1.15Ie，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中遇到負(fù)荷增大定子電流超過0.8Ie時(shí)，RJ1就會(huì)動(dòng)作，PC失電轉(zhuǎn)子就會(huì)串入頻敏變阻器限流，10秒鐘之后SJ的延時(shí)閉合節(jié)點(diǎn)閉合，PC獲電動(dòng)作，短接頻敏變阻器，PC的常閉節(jié)點(diǎn)斷開，使RJ投入正常運(yùn)行，如果電機(jī)過負(fù)荷或故障致使電流繼續(xù)升高，當(dāng)定子電流超過1.15Ie，RJ過熱就會(huì)動(dòng)作使QC失電，電動(dòng)機(jī)就會(huì)跳閘。如果10秒鐘之后電流得到了有效的控制，電動(dòng)機(jī)恢復(fù)了額定轉(zhuǎn)速，那么限流過程就此結(jié)束，大約5分鐘之后RJ1自動(dòng)復(fù)位，RJ1的常閉節(jié)點(diǎn)閉合，為下一次的限流做準(zhǔn)備?？刂苹芈分行略黾拥囊粋€(gè)時(shí)間繼電器SJ1，其作用不可小覷，當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中定子電流超過0.8Ie、RJ1 動(dòng)作時(shí)，我們并不能判斷是由于負(fù)荷增加還是故障造成的，所以10秒鐘限流結(jié)束后必須進(jìn)行**次判斷，然而RJ1過熱動(dòng)作后至少要5min后才能自動(dòng)復(fù)位，所以增加了時(shí)間繼電器SJ1，10秒鐘限流結(jié)束后SJ的延時(shí)閉合節(jié)點(diǎn)閉合，SJ1 獲電動(dòng)作，其延時(shí)斷開節(jié)點(diǎn)立刻閉合，PC 獲電其常閉節(jié)點(diǎn)斷開，RJ投入正常運(yùn)行，為判斷電動(dòng)機(jī)是否故障過熱創(chuàng)造了條件。SJ1的斷開延時(shí)設(shè)置為5分鐘左右，這個(gè)時(shí)間與RJ1自動(dòng)復(fù)位時(shí)間一至，而且必須要大于RJ1自動(dòng)復(fù)位時(shí)間以避免PC

在限流成功之后又失電串入轉(zhuǎn)子頻敏變阻器。各元件的參數(shù)數(shù)值可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)具體工作的情況設(shè)定。然而用時(shí)間繼電器、交流接觸器和熱繼電器起動(dòng)和限流380V繞線式電機(jī)，控制回路元件太多，接線復(fù)雜，且電機(jī)遇負(fù)荷增加RJ1動(dòng)作限流結(jié)束后至少要等5 分鐘才能進(jìn)行**次限流，因?yàn)?快復(fù)位的JR15型熱繼電器自動(dòng)復(fù)位時(shí)間為5分鐘，這樣如果短時(shí)間內(nèi)遇見負(fù)荷反復(fù)增大，就起不到限流作用。如果想簡化控制回路和提高控制回路連續(xù)限流的性能，*

直接的方法就是，用低壓電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器取代過負(fù)荷、故障跳閘熱繼電器，用電流保護(hù)繼電器串于電流互感器二次側(cè)代替限流繼電器。

2.2 廠用6kV繞線式電機(jī)串頻敏變阻器起動(dòng)、運(yùn)行中限流控制

對(duì)于廠用6kV電動(dòng)機(jī)，根據(jù)其重要性和運(yùn)行性質(zhì)的不同已經(jīng)有電流速斷、低電壓保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、零序電流速斷等保護(hù)在電機(jī)（電源）故障或過負(fù)荷時(shí)跳電源開關(guān)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行保護(hù)，所以采取運(yùn)行過程中負(fù)荷突然增加的限流措施只需增加一個(gè)串于電流互感器二次側(cè)的電流保護(hù)繼電器，如圖b中的KA。

6kV繞線式電機(jī)帶380V不間斷電源控制頻敏變阻器起動(dòng)和限流，如圖b所示。KA的整定值設(shè)為0.9UN，用于起動(dòng)或運(yùn)行中限流：在電機(jī)起動(dòng)過程中當(dāng)電流低至0.7UN，電流繼電器KA返回，動(dòng)斷觸點(diǎn)閉合，PC得電，頻敏變阻器被短接，起動(dòng)過程結(jié)束；KA的另一個(gè)作用是限制運(yùn)行中負(fù)荷突然增大導(dǎo)致電流突升，當(dāng)負(fù)荷增大，電流升至0.9UN，KA動(dòng)作，動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，PC失電轉(zhuǎn)子竄入頻敏變阻器限流以提高轉(zhuǎn)矩，當(dāng)轉(zhuǎn)速提高，電流減小至0.7UN，KA 返回，PC得電，頻敏變阻器被短接，限流過程結(jié)束。

3結(jié)論

變頻器廠家已研制出新一代高壓變頻器帶故障運(yùn)行方式或功率單元機(jī)械式旁路以提高運(yùn)行可靠性。旁路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有：（1）主保護(hù)開關(guān)仍選用斷路器（少油/真空均可），切換開關(guān)選用400A真空接觸器；（2）為了使變頻—工頻切換時(shí)沖擊盡可能小，預(yù)加入1套鑒相系統(tǒng)。我們都知道，發(fā)電機(jī)的同期并網(wǎng)，不管是準(zhǔn)同期或是自同期都是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在3000r/min左右與電網(wǎng)頻率一致時(shí)并入系統(tǒng)向電網(wǎng)發(fā)電的，而變頻器故障后的自動(dòng)旁路有可能是兩個(gè)頻率相差很大的交流電之間的切換，所謂的同相位點(diǎn)是個(gè)短暫的時(shí)刻，開關(guān)斷路器還沒有反應(yīng)就已經(jīng)躲過，變頻與工頻切換時(shí)的電流沖擊是存在的，有可能還很大。所以筆者提出了繞線式電機(jī)串頻敏變阻器起動(dòng)、運(yùn)行中限流控制做變頻器故障后自動(dòng)旁路備用起動(dòng)的大膽設(shè)想，如果2臺(tái)6kV電機(jī)帶變頻并列運(yùn)行，變頻器故障跳閘后自動(dòng)旁路可以實(shí)現(xiàn)6kV繞線式電機(jī)帶380V不間斷電源控制頻敏變阻器啟動(dòng)，如圖2所示，便可以大大降低對(duì)旁路開關(guān)遮斷容量的要求，并且可以部分取代變頻器在運(yùn)行中對(duì)電機(jī)的調(diào)速要求。