帶短路線圈的頻敏變阻器在熱剪電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)方面的應(yīng)用

高 燕，劉 睿

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401122)

某鋼廠棒材生產(chǎn)線熱剪為離合式曲柄剪，由飛輪、氣缸驅(qū)動(dòng)的離合器，剪刃主軸編碼器，曲柄連桿升降的上剪刀滑座組成。上剪刀升降，下剪刀固定，用于切頭及對(duì)部分規(guī)格軋件的分段［1］。

熱剪由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)三相頻敏變阻器星形連接，啟動(dòng)完畢后三相頻敏變阻器改為三角形連接，作為轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器使用，從而達(dá)到啟動(dòng)用頻敏變阻器兼作轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器使用的目的［2－8］。

1 帶短路線圈的頻敏電阻器用于電動(dòng)機(jī)重載啟動(dòng)

頻敏變阻器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)鐵芯損耗非常大的的三相電抗器，一般制成開(kāi)啟式［9－10］。在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，三相頻敏變阻器采用星形連接，串接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，其每相阻抗可以表示為Zm=Rm+jXm。其中:Xm代表頻敏變阻器繞組的勵(lì)磁電抗;Rm代表頻敏變阻器鐵損耗的等效電阻。異步電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電流頻率f2與電源頻率f1的關(guān)系為f2=sf1。在啟動(dòng)開(kāi)始的瞬間，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為零，s=1，f2=f1;隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，s減小，f2下降，啟動(dòng)完畢正常運(yùn)行時(shí)f2下降到僅幾赫茲，而Xm∝f2，Rm與鐵芯磁通密度幅值的平方以及頻率的平方二者之積成正比，因此隨著啟動(dòng)的進(jìn)行，Rm及Xm都將變小，也就是說(shuō)頻敏變阻器的阻抗能夠隨著轉(zhuǎn)子電流頻率的下降而自動(dòng)減小，相當(dāng)于逐步切除電阻，電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。

頻敏變阻器帶短路線圈，能有效提高功率因數(shù)，增大啟動(dòng)力矩，符合熱剪電動(dòng)機(jī)重載啟動(dòng)的要求。轉(zhuǎn)子串帶短路線圈的頻敏變阻器的啟動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中都能始終保持較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑無(wú)極近恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)的特點(diǎn)。

2 帶短路線圈的頻敏電阻器用于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)

熱剪在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)高達(dá)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩2.5倍以上的尖峰負(fù)荷，且尖峰負(fù)荷持續(xù)時(shí)間較短。為了減小電動(dòng)機(jī)容量以及削平尖峰負(fù)荷，可采用帶飛輪傳動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)，并設(shè)有帶短路線圈的頻敏變阻器用作轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速能隨著尖峰負(fù)荷的有無(wú)而自動(dòng)升降，利用飛輪儲(chǔ)能來(lái)克服尖峰負(fù)荷。

頻敏變阻器的阻抗能夠隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子頻率的變化而自動(dòng)變化。這種頻敏特性使得它能根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加而自動(dòng)調(diào)節(jié)，充分釋放飛輪儲(chǔ)能，但其功率因數(shù)較低。為了提高功率因數(shù)，改善電動(dòng)機(jī)特性，在普通頻敏變阻器的主磁路上裝設(shè)適當(dāng)匝數(shù)的“短路圈”以增加有功功率成分，降低無(wú)功損耗，從而獲得較高的功率因數(shù)和轉(zhuǎn)矩，改善轉(zhuǎn)差率特性。增加短路線圈后，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線上部趨近于“挖土機(jī)”特性，飛輪和主電機(jī)的能力均得以充分利用，極大地提高了電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩，并縮短了回升時(shí)間。

3 帶短路線圈的頻敏變阻器在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)方面的綜合應(yīng)用

在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，帶短路線圈的三相頻敏變阻器星形連接，串入轉(zhuǎn)子繞組，做啟動(dòng)用變阻器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑、無(wú)極、自動(dòng)啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式與轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)相比，因無(wú)需逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻，避免了因切除啟動(dòng)電阻時(shí)產(chǎn)生較大電流和轉(zhuǎn)矩沖擊，啟動(dòng)較為平穩(wěn)、安全。

啟動(dòng)完成后，通過(guò)接觸器開(kāi)閉改變主回路接線，將帶短路線圈的三相頻敏變阻器改為三角形連接，串入轉(zhuǎn)子繞組，頻敏變阻器進(jìn)入轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)工作狀態(tài)。與接觸器電阻式轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器相比，主電機(jī)平均轉(zhuǎn)矩增大，回升時(shí)間縮短，調(diào)節(jié)裝置穩(wěn)定性和可靠性均有所提高。

4 實(shí)際應(yīng)用效果分析

以某鋼廠棒材生產(chǎn)線熱剪電動(dòng)機(jī)為例，介紹帶短路線圈的頻敏變阻器在熱剪電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)方面綜合應(yīng)用的工作原理及實(shí)際運(yùn)行效果。

4.1 設(shè)備資料

1)主電機(jī)

電機(jī)型號(hào)為YR355M4－8;額定功率 Pe=200 kW;額定轉(zhuǎn)速nN=730 r/min;過(guò)載能力λ=1.8 r/min;定子額定電壓UN=380 V;定子額定電流IN=402 A;轉(zhuǎn)子額定電壓Uze=383 V;轉(zhuǎn)子額定電流Ize=317 A。

2)頻敏變阻器

對(duì)于頻敏變阻器的選擇，要求考慮負(fù)載類型和電動(dòng)機(jī)功率2個(gè)方面，故選擇適用于重載啟動(dòng)和斷續(xù)周期工作制用頻敏變阻器類型即可。本研究選擇BP4G系列的頻敏變阻器，其鐵芯柱采用厚壁鋼管，軛鐵采用厚鋼板共同組成骨架，作為導(dǎo)磁及感應(yīng)產(chǎn)生渦流的機(jī)構(gòu)，鋼管外裝有線圈，線圈外加裝鋁管作為二次短路線圈以提高功率因數(shù)和增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

4.2 工作原理

熱剪電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接線圖如圖1所示。

圖1 熱剪電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子接線圖

圖1中:QA為斷路器;KM、KY、KD均為接觸器;KR為熱繼電器;1TA、2TA均為電流互感器;A表示電流表;BP為帶短路線圈的頻敏變阻器(BP4G系列)。控制回路如圖2所示。

圖2 熱剪電動(dòng)機(jī)控制回路原理圖

圖2中:QA、QL均表示斷路器;KM、KY、KD均為接觸器;KR為熱繼電器;K1、K2均表示中間繼電器;KT為時(shí)間繼電器;W1、R2、C3為指示燈;X1為端子排。

合上斷路器QA后，中間繼電器K1瞬時(shí)吸合，合閘指示燈W1亮。PLC運(yùn)行指令到達(dá)后，接觸器KM線圈得電，觸點(diǎn)吸合，運(yùn)行指示燈C3亮，接觸器KY和時(shí)間繼電器KT線圈得電，KY觸點(diǎn)瞬時(shí)吸合，頻敏變阻器星形連接，串入電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，熱剪電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速平穩(wěn)上升，三相星形連接的頻敏變阻器阻抗自動(dòng)下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速后，時(shí)間繼電器KT觸點(diǎn)吸合，接觸器KD線圈得電，其常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，接觸器KY線圈失電，觸點(diǎn)斷開(kāi)，同時(shí)KD常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，三相頻敏變阻器改為三角形連接，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)運(yùn)行階段。當(dāng)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，故障指示燈R2亮。

如上所述，只需通過(guò)接觸器的開(kāi)閉來(lái)改變電動(dòng)機(jī)主回路的接線，啟動(dòng)用頻敏變阻器就能兼作轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)變阻器使用，獲得無(wú)接點(diǎn)的轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)用頻敏變阻器，使啟動(dòng)和調(diào)節(jié)系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，維護(hù)和檢修工作量減少。

4.3 實(shí)際運(yùn)行情況分析

長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐表明:該鋼廠棒材生產(chǎn)線自投入運(yùn)行以來(lái)，熱剪電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行情況均良好。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控儀表的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明:帶短路線圈的頻敏變阻器在熱剪電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中作用顯著，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流較小，啟動(dòng)時(shí)間較短，啟動(dòng)聲音正常，啟動(dòng)平穩(wěn);轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)運(yùn)行時(shí)，熱剪電動(dòng)機(jī)工作正常，功率因數(shù)較高，滿足電網(wǎng)的要求，對(duì)生產(chǎn)和降低電耗都起到了一定的作用，適用于目前的生產(chǎn)狀況。

5 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器是繞線式異步電動(dòng)機(jī)常用的啟動(dòng)器件，帶短路線圈的頻敏變阻器作為轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器又具有無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)電動(dòng)機(jī)主接線的簡(jiǎn)單變化實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)用頻敏變阻器兼做轉(zhuǎn)差率調(diào)節(jié)器使用，節(jié)省了投資、簡(jiǎn)化了線路、運(yùn)行安全可靠，滿足了實(shí)際生產(chǎn)要求。

［1］張江泳.SVG技術(shù)及其在線材及棒材軋鋼廠的應(yīng)用［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(11):96－99.

［2］李華德.交流調(diào)速控制系統(tǒng)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

［3］范正翹.電力傳動(dòng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［4］田冰冰.三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)及軟啟動(dòng)研究［J］.甘肅科技，2009，25(11):52－53.

［5］陳靜，宋興宇，袁佑新，等.電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2014，36(3):305－307.

［6］邊旭，梁艷萍.交流電機(jī)換位線棒股線環(huán)流的解析計(jì)算方法［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2014(8):24－29.

［7］董志強(qiáng)，邸永明.頻敏變阻器和液體電阻啟動(dòng)器在球磨機(jī)啟動(dòng)中的應(yīng)用比較［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，1999，(3):22－24.

［8］陳元琦，梁艷萍.交流電機(jī)動(dòng)態(tài)分析中坐標(biāo)變換的歸一化方程［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(5):113－119.

［9］裴良裕.電機(jī)啟動(dòng)中的自耦變壓和頻敏變阻器的應(yīng)用［J］.電機(jī)技術(shù)，2007(5):43－44.

［10］高志博，趙振松，崔太峰.頻敏變阻器應(yīng)用于球磨機(jī)啟動(dòng)常見(jiàn)問(wèn)題分析［J］.礦山機(jī)械，2008(23):115.

［11］李幸.頻敏變阻器的使用與調(diào)整［J］.電世界，1994(6):36－37.

［12］易樹(shù)根，汪悅祥，孫學(xué)昌等.高能頻敏變阻器大功率性能試驗(yàn)［J］.電站系統(tǒng)工程，1998(4):46－48.

［13］張澍.帶短路圈的大型頻敏變阻器［J］.低壓電器，1997(6):55－56.

［14］頻敏變阻器［EB/OL］.［2010－07－09］.http://baike.baidu.com/link?url=fxfX_uFZXyQ5i5KOv4Pc tdVowpy81_4Vov58hLyA5vxsSHv_uXrbVirP5K8UCmN06 HktUwPG6xTQvS6YV0YQCa.

［15］謝忠民.多臺(tái)電動(dòng)機(jī)公用一臺(tái)頻敏變阻器啟動(dòng)的原理［J］.四川水利，1997(3):28－29.

［16］曾學(xué)農(nóng).頻敏變阻器的特點(diǎn)及其應(yīng)用［J］.海南礦冶，1999(S1):28－29.

［17］黃順禮.頻敏變阻器制動(dòng)裝置在65MW水電機(jī)組上應(yīng)用成功［J］.西北水電，1999(1):50－51.