棒磨機的啟動原理分析

劉旭富

摘要：交流異步電動機按轉子結構劃分為鼠籠式和繞線式兩類。繞線式異步電動機其轉子繞組構造有別于鼠籠式異步電動機，且二者的機械特性，啟動方式、用途也大相徑庭。

關鍵詞：繞線式電動機;特性曲線;串聯電阻;頻繁變阻器;無刷無環啟動器

0? 引言

近年來因生產、市場需求，公司大力發展原礦砂的再加工生產規模。由此洗砂廠的主要設備——棒磨機進入了設備維修員的視野。棒磨機的原動機為繞線式異步電動機，作為異步電動機的一種基本類型，其在工農業生產及國民經濟各部門中占據著至關重要的地位。由于繞線式異步電動機多用于大型礦山機械，具有負載性能好、運行穩定可靠、效率可觀等優點，因而在國民經濟發展中日益得到廣泛應用。在此背景下，對其啟動方式及原理的相關分析，也就變得尤為必要。

1? 交流異步電動機啟動原理的概述

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

各類特性曲線如圖1。

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

右側圖中是采用變頻器啟動電機的機械特性曲線，它因在降壓的同時降低了頻率，使其轉速降低，其啟動轉矩特性稍軟，啟動轉矩接近Tst，所以啟動電流低且平滑。適用于輕、中載啟動且有調速運行需求的負荷。

2? 交流繞線式異步電動機的啟動方式

2.1 基本原理

由于交流異步電動機的電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，求取轉矩的公式為：

T≈kTU12SR2/[R22+（SX20）2]

式中：kT為同電機自身特性有關的常數;U1為定子輸入電壓;R2為轉子電阻;X20為轉子漏感抗與電機制造工藝相關;S為轉差率。

從式中可以看出，在選定繞線式電動機后，影響該電機電磁轉矩的只有U1和R2兩個變量（其他都可理解成為常量，其中S與負載需求轉矩有關，在特定負載下也可視其為常量）。繞線式電動機就是利用這一點，規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矩與輸入電壓的平方成正比的這一缺陷。采用增加轉子回路電阻的阻值來提高電磁轉矩。同時轉子回路因增加了額外電阻，造成轉子電流降低從而引導定子電流跟著降低（基本于電動機近似于變壓器原理）。這樣既限制了電機的啟動電流，又獲得可觀的啟動轉矩（Tst

2.2 繞線式異步電動機改變轉子回路電阻的方式有如下三種

2.2.1 分級串聯電阻可獲得較大的啟動轉矩和有級調速性能

在繞線式異步電動機轉子回路中串入適當的電阻，使轉子回路的電阻增加，使轉子和定子在起動時電流減少，起動轉矩略為減小。另一方面由于轉子回路電阻增加后，轉子回路的功率因數增加使起動轉矩又相應增大。

在繞線式異步電動機串電阻起動結束后，如果不是用于調速，需及時切除串入的電阻。因為電機空、輕載運行時，轉速接近同步轉速，所以轉子上的感應電流極小，即電阻上能耗很小。一旦帶上負載，轉子上的感應電流增大，此時不及時切除起動電阻，電阻就會消耗有功功率，所以若無需串級調速就需要切除電阻。

在繞線式異步電動機轉子回路串入專用的附加電阻，使電動機的轉差率加大，電動機在較低的轉速下運行。串進的電阻越大，電動機的轉速越低，屬有級調速。此方法設備簡單，控制方便，但轉差功率在電阻上以發熱形式消耗。

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

我司洗砂廠棒磨機采用的是可實現均勻調節阻值的液態電阻。

2.2.2 頻敏變阻器是一種有獨特結構的無觸點原件

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

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

這種啟動方法的優點是結構簡單、成本較低、使用壽命長、維護方便，電動機啟動電流低而平滑。主要不足之處是，功率因素較低（可另采用靜止進相器來提高功率因數）。

上述兩種啟動方式都需要在啟動完成后將電阻旁路。另外，繞線式電動機因其轉子繞組與外部通過集電環、碳刷進行電氣連接。在洗砂廠的粉塵、積水交織的惡劣環境中，集電環、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。繼而出現碳刷壓簧彈性因碳刷發熱而降低又引起集電環與碳刷間打火、轉子回路接地、旁路接觸器觸點發熱、熔焊，導致其他相觸點接觸不良等形成惡性循環，最終導致停機，嚴重時危及電機安全。

2.2.3 無刷無環啟動器

無刷無環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。繞組型就是在轉子中串接電抗繞組，液組型就是在轉子中串接液態電阻。因啟動機理、特性與頻敏變阻器類似，這里不做贅述。

因為該啟動器無刷（無碳刷）無環（無集電環）的特點，大大減少了電機因碳刷、壓簧、集電環、旁路接觸器以及相關回路的中間環節引起的故障和投資。這也是該啟動方式的亮點所在！

由于無刷無環啟動器屬非常敏感元件，能及時感測轉子頻率變化自動工作，當電機偶遇過載時，電動機轉速下降，感應電流頻率升高，啟動器阻抗應變增大，從而加大了拖動力矩，以維持電動機原有轉速、同時又使超載電流適當降低，避免導致電氣保護裝置動作而使設備停機。這樣既保證了生產的連續性又提高了生產設備的運轉率。當然這個自動調速過程是非常短暫的，同時限制過載電流也是有限的，如果設備長時間過載，電氣保護裝置還是會動作，這是保護設備免受破壞的必要措施。

無刷無環啟動器由于減少了轉子繞組回路的向外延伸，棒磨機控制柜即可遠離電機生產現場安裝而安裝于控制室內，很大程度上避免洗砂廠設備現場環境對電氣回路的影響。

3? 繞線式電動機的另一種啟動形式

上述以外，還有一種啟動繞線式電動機的方式。簡單而言，就是先將轉子繞組短接，使其轉變成為交流異步普通鼠籠式電機，然后利用軟啟動或變頻器裝置將電機投入電路中啟動。將繞線式異步電動機當成鼠籠式異步電動機來使用屬降級使用，完全失去繞線式電動機應有的優勢。

如本文開章所述，軟啟動是以降低定子電壓來降低電流的，那么啟動轉矩會大受影響，而配備繞線式電機都是有重載啟動需求的負載。如此一來，要在額定負載下啟動電機，其啟動電流會很大，與電機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。而選用繞線式電機的負載不會有較高的調速需求，故變頻器的優勢得不到完全體現。

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

4? 結束語

在繞線式電動機日益得到廣泛應用的今天，我們越發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的幾種啟動方式。就其各自特征而言，無刷無環啟動器使繞線式電動機甩掉了復雜的啟動系統，能夠直接啟動，具有良好的啟動特性，其操作簡便、無需配件、運轉無事故，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，使得無刷無環啟動器在洗砂廠棒磨機的啟動方案選擇中獨具優越性。就企業本身發展而言，將繞線轉子異步電動機改用無刷無環啟動器能為我司節省大量備件及維修費用，提高設備的安全運轉率。因而該產品的推廣使用，應該引起我們的重視。

參考文獻：

[1]顧繩谷.電機及拖動基礎[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]湯蘊璆，等編.電機學[C].西安：西安交通大學出版社，1993.

[3]谷曉龍，谷利紅.淺析繞線式異步電動機[J].應用科技，2015（07）：99.

[4]楊德印.繞線轉子型異步電動機的結構原理與啟動[J].機電技術與維修，2016，07，31，008.

[5]陳宇.無刷無環啟動器的特點及應用[J].設備管理與維修，1999，08.

[6]徐政，張毅剛，等.電機與變壓囂[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2012.

[7]唐迎建，王建強.繞線轉子異步電動機改用無刷無環起動器的經驗總結[J].冶金礦山設計與建設，2000，01，32.

[8]畢德強，蘇裕.無刷無環啟動器在繞線異步電動機上的應用[J].水泥工程，2003，04.