一、普通电机的优点和方法
翟佑华温州市曙光起动设备有限公司(325604)摘要：本文先从普通异步电动机过大的启动电流、过小的启动转矩造成的危害出发，说明大型电机的启动应考虑降低启动电流、增加启动转矩措施的必要性。再通过一个具体的电机拖动系统，选用不同的拖动方法，获得不同的性能，需要不同的成本出发，说明无刷自控电机代替普通电机的必然性.。
无刷自控电机就是一种克服了鼠笼式异步电动机启动电流大，启动转矩小；绕线式异步电动机装有碳刷、滑环和复杂的启动装置等缺点；而保留了鼠笼电动机结构简单、维护工作量小；绕线电机启动电流小，启动转矩大等优点的电动机。它的典型结构如图1所示。无刷自控电机能根据电机转速，自动控制串入电机转子内的电阻大小，达到增加电机启动转矩，减少电机启动电流和实现绕线式异步电动无刷运行的目的。它不但能使异步电动机启动的电流由5—7Ie降到0.4—1.7Ie时，电机的启动转矩（0.4--1.6Me）和启动时间保持不变，还能使电机以最大转矩（1.6--3.1Me）启动。它可以代替鼠笼电机及其启动装置；绕线电机的滑环、碳刷及其启动装置。它可利用普通绕线式异步电动机，去掉滑环、碳刷及启动装置，并更换成无刷自控电动机启动器后获得。
2.过大的启动电流和过小的启动转矩造成的危害
普通异步电动机启动电流达到额定电流的5--7倍，而启动转矩只有额定转矩的0.4--1.6倍。它在电网条件（电机启动时的电网压降小于10%）和工艺条件（启动转矩满足）允许的情况下，可以直接启动。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机和电网造成了极大的危害。
当电机启动电流达到额定电流的6--7倍时，线圈发热量是电机在正常运行时的36--49倍，产生的电磁力同样达到了36--49倍。过高的温度、过快的加热速度、过大的温度梯度和电磁力，产生了极大的破坏力，缩短了定子线圈和转子铜条（特别是转子常利用趋肤效应现象，降低启动电流，转子铜条在启动时，表面的温度达到350℃以上）的使用寿命。如柳钢公司烧结厂29m2烧结主风机电机为两台1000KW鼠笼电机，全压直接启动，1997年一年内累计烧毁电机六次。1998年开始采用降压启动后，到2002年止，已累计运行4年，再没有出现一次电机烧毁事故。正因如此，有关统计显示：电机直接启动时间不及电机运行时间的0.1%，但故障率占到电机全部故障率的30%以上。
电机的供电装置一般是按电机额定电流选择的，过大的启动电流往往造成供电装置的触头发热，触头周围绝缘老化，也是供电装置损坏的一个主要原因。如南阳炼油厂丙烷装置，其供电变压器容量为800kvA，而最大电机容量只有130kw，完全具备电机直接启动的条件，但过大的启动电流，在2001年内，三次造成低压开关柜短路，生产装置三次停产检修，给该厂造成了极大的经济损失。
由于上述一些原因，大容量的电动机在电网和工艺条件均满足的情况下，也常采取减少启动电流的措施，以提高供电的可靠性和降低电机的故障率。但启动装置过高的价格（特别是中高压电动机，软启动装置+启动开关柜等的价格是电机价格的1.5倍以上）、复杂的结构，不但增加了用户的成本和降低了电力拖动系统的可靠性。同时，电机启动转矩与启动电流的平方成正比，当采用降低定子电压启动方式时，如启动电流由6Ie降到了3Ie时，电机启动转矩将减少4倍，电机启动时间增大5倍以上。正因如此，对启动转矩要求比较大、启动时间要求比较短的电机，只能利用绕线式电机代替鼠笼式电机。
绕线式电机因其有碳刷、滑环及启动控制系统，无法用在对拖动系统可靠性及免维护性要求比较高的场合。如油田广泛使用的抽油机，需要大启动转矩电机，但因它们全部安装在野外，数量具大（年产原油18万吨的河南油田，其抽油机电机数量就超过2千台、大庆油田超过5万台），为提高电机拖动的可靠性，不得不采用鼠笼电机；同时，为了增加启动转矩，又不得不增加电机容量。使得抽油机电机的平均负载率不及电机额定功率的30%。它不但增加了电力拖动系统成本、还降低了电机的固有效率，浪费了大量的能源。
为了说明无刷自控电机的优越性，现以一台1400KW、ne=1488r/min、6KV、Ie=154.A、Ist/Ie=6.38、Mmax/Me=2.3；的鼠笼型电动机拖动一台主风机和一台1400KW的绕线式电动机拖动相同的负载，并均配置水电阻软启动器（水电阻启动器的价格只及可控硅、磁饱和电抗器软启动器的1/2）为例，说明其设计方法、启动性能和拖动系统成本。
3.鼠笼电机及其拖动系统
该拖动系统的构成如图2所示，它一般由运行高压开关柜DL1、启动高压开关柜DL2、隔离开关K柜和水电阻R及其控制装置等构成。其中水电阻R及其控制装置，就是在一个装满导电液体如盐水中，插入两个电极，形成电阻。其电阻的大小与电极的距离成正比，调节电极板的距离，就能调整这个电阻的大小，达到调节定子电流的目的。将这样的可变电阻串入电机的定子回路，就可以平滑地启动电动机。
电机定子线圈串入三相对称电阻后：
以该风机进风阀门全关闭后启动电机，并设电机启动时的加速度力矩为10%电机额定转矩，可作出表（标么值）1：
转差率1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100.050.02平均
转速0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.900.950.98
全电压转矩1.171.211.251.301.351.401.421.531.752.341.671.271.47
全电压下电流6.386.306.216.105.965.805.615.385.094.532.571.705.14
风机空载转矩0.110.090.080.080.080.100.120.150.180.230.260.310.15
软启动电流2.702.492.352.282.192.172.172.162.041.701.190.962.03
电机电压0.420.400.380.370.370.380.390.400.400.380.460.560.41
电阻上电压降0.890.890.880.880.880.870.860.850.820.750.640.440.80
电机输出转矩0.210.190.180.180.180.200.210.250.280.330.360.400.25
水电阻功率2.402.202.082.001.921.891.871.831.681.280.770.431.70
在此状态下，电机启动时间为69秒，消耗的平均电功率为2300kw、消耗的电能约44kwh（能使475kg水从20℃升到期100℃）。该电机启动完毕后，还需由操作工（或时间继电器）合上运行高压开关DL1，断开启动开关DL2和K后，才能开启风机负载阀门，否则将威胁电机和启动装置的安全运行。
该拖动系统电机价格约为17万元、启动柜及隔离开关柜约12万元、三相变阻器约需12万元；增加三根电缆，每根按30米计，加上6个电缆头，约需4.5万元，如不计基建[变阻器+启动及隔离开关柜体积约为：（1.7+1.2）×1.2×2.8m3]费用，总计费仍将高达45.5万元（不计电机为28.5万元）。
4.绕线式电动机及其拖动系统
绕线式电机拖动系统如图3所示：电机启动时，在转子回路串一个电阻R，启动结束后，将串入的转子电阻短路。绕线式电机水电阻变化原理同鼠笼电机一样，所不同的是，水电阻串入电机的转子回路，它在降低电机启动电流的同时，增加电机的启动转矩。绕线式电机转子串入三相对称电阻后:上述公式与鼠笼电机最大的区别在于：鼠笼电机启动电阻只增加了启动转矩的分母，即它在减少了电机的启动电流的同时，减少了电机的启动转矩；并且，电机在启动过程中是一个感性负载，电源电压全部加在启动电阻上，增加了启动电阻的功率消耗。绕线式电机，正好克服了上述不足。当Rst》（x1+x2）时，电机的转矩与Rst/S成反比，电流与Rst/S成反比；转子输出电压与转差率S成正比。根据这一关系，在风机启动阻力转矩的基础上，加上电机的额定转矩就是电机以额定转矩100%加速启动，并可制出电机的转速、转矩、电流和电阻上的功率损耗表2。
转差率1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100.050.02平均
转速0.000.100.200.300.400.500.600.700.800.900.950.98
电机电流1.111.091.081.081.081.101.121.151.181.231.261.311.15
电阻上电压降1.000.900.800.700.600.500.400.300.200.100.050.020.46
电机输出转矩1.111.091.081.081.081.101.121.151.181.231.261.311.15
水电阻功率1.110.980.860.760.650.550.450.340.240.120.060.030.51
从表2可以清楚的看出，绕线式电动机在启动电流比鼠笼电机减少了近1/2倍的情况下，启动转矩增加4倍以上，启动时间减少到1/10倍(6.9秒)，在启动电阻上消耗的电能减少了33倍（1.3Kw）左右（只就使14.4kg水从20℃加热到100℃）。
该拖动系统：绕线电机约需23万元、三相变阻器＋短路开关柜约需10万元；需增加三根3×240mm2低压电缆作为转子电流引出线，每根长度按30米计，加上6个电缆头，约需2.5万元，在不计基建费用的情况下，总计费用将达到35.5万元。
5.无刷自控电机及其实现方法
无刷自控电机拖动系统如图4所示，它无需增加启动控制柜和复杂的控制装置，只需一个运行开关柜，就可实现电机的软启动。它的主要电气性能同绕线式异步电动机加装水电阻式软启动器相当，所不同的是：电机的启动过程中，串入转子内的启动电阻，随着电机转速的升高，其阻值按电机转速平方规律自动减少，并在电机转速达到额定转速90%左右时，启动电阻降为零。它保证了启动装置与电机启动过程完全同步，并克服了绕线式电机滑环和碳刷、鼠笼电机复杂的启动装置和过高的成本造成的危害。
它可以从以下三个方面实现（假设已有鼠笼电机直接启动系统）
A.购买一台无刷自控电机，取代现有鼠笼电机即可。该电机是按加装无刷自控电机启动器设计，去掉了绕线电机滑环、碳刷及防止碳粉入侵电机绕组等装置。它不但降低了电机的制造成本（电机+启动装置约25万元），还提高了电机的效率约0.1%左右。
B.购买一台绕线式异步电动机（约23万元）和一套无刷自控电机软启动器（约2.5万元）,去掉绕线式异步电动机内的碳刷和滑环，安装无刷自控电机软启动器，就变成了一台无刷自控电机。
C.保留电机定子及其附属装置不变，将原鼠笼转子更换成无刷自控电机转子（全部改造费约需17万元）即可。
6.结论
从上述分析中，可以得出下表（以1400kw风机拖动系统为例）：
项目鼠笼电机+软启动绕线电机+软启动无刷自控电机
启动电流(启动电流/电机额定电流)2.7Ie1.11Ie1.11Ie
启动转矩(启动转矩/电机额定转矩)0.21Me1.11Me1.11Me
启动时间(S)696.96.9
启动电阻消耗功率(kwh)441.331.33
电机维护工作量小大中
启动装置维护工作量大中无
启动装置体积(m3)(1.7+1.2)×1.2×2.81.4×1.2×2.20
电机参考价格(万元)172325
启动器+启动开关柜+启动电缆价格(万元)28.512.50
拖动系统总价格(万元)45.535.525
无刷自控电还克服了绕线式异步电机及其启动装置：A.绕线式电机由于存在着滑环和碳刷，增加了电机运行维护工作量和电机的故障率，对连续自动工作和防爆的场合（如石化企业）限制了它的应用。B.电机的启动过程，同鼠笼电机一样，还是间接控制（一般用时间继电器）。很难保证启动过程与电机同步。C.电刷，转子引出电缆及转子短接装置要消耗一定的电能，降低了电机的固有效率。
正因如此，无刷自控电机这项专利自2002年9月25日由中国知识产权局公开后，2002年11月28日就被温州曙光启动设备有限公司买断无刷自控电机启动器生产、销售权；2002年12月12日通过了“江西省电机产品检测站”的性能鉴定；2003年1月15日，在上海市的生命工程--480KW防洪排灌电机上一次试用成功，并将作为2003年4月，上海水泵博览会上的重点推荐产品。
无刷自控电机以其优良的启动性能，低廉的价格，不但会占领部分绕线式异步电动机及其启动装置的市场份额，还会替代部分鼠笼电机及其启动装置。参考资料：
1.《中压交流电动机使用固态软启动器与液体变阻器起动的比较》作者：厉无咎《中国化工装备》杂志2002年增刊（第三届全国石油和化学工业电气技术交流研讨会论文集）
2.《电动机磁控软启动》作者：高越农《中国化工装备》杂志2002年增刊（第三届全国石油和化学工业电气技术交流研讨会论文集）
3.《中压（3~10KV）电动机启动方法的分析与比较》作者：李咸全迟连道等《电气世界》杂志，2002年第11期
4.《电机拖动自动控制》张永丰主编机械工业出版社，1978年
5.《无刷自控绕线式异步电机的研制》作者：翟佑华《电工技术》杂志，2002年第12期作者简介：
翟佑华：电气工程师，中国化工装备协会仪表电气专家委员会电气专家委员，已有五项国家专利（仅无刷自控电机及其启动装置就有三项专利），公开发表10篇学术论文，获局、处两级各种科技奖励十余次，现主要从事无刷自控电机的推广应用工作。