交流異步電機軟起動(dòng)及優(yōu)化節能控制的技術(shù)研究

1前言

目前在工礦企業(yè)中使用著(zhù)大量的交流異步電動(dòng)機(包括380V/660V低壓電動(dòng)機和3kV/6kV中壓電動(dòng)機)，有相當多的異步電動(dòng)機及其拖動(dòng)系統還處于非經(jīng)濟運行的狀態(tài)，白白地浪費掉大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的：

(1)由于大部分電機采用直接起動(dòng)方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動(dòng)系統的沖擊和事故之外，8～10倍的起動(dòng)電流也造成巨大的能量損耗;

(2)在進(jìn)行電動(dòng)機容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結果使電動(dòng)機容量過(guò)大，造成“大馬拉小車(chē)”的現象，導致電動(dòng)機偏離最佳工況點(diǎn)，運行效率和功率因數降低;

(3)從電動(dòng)機拖動(dòng)的生產(chǎn)機械自身的運行經(jīng)濟性考慮，往往要求電力拖動(dòng)系統具有變壓、變速調節能力，若用定速定壓拖動(dòng)，勢必造成大量的額外電能損失。

電動(dòng)機的非經(jīng)濟運行情況，早已引起國家有關(guān)部門(mén)的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個(gè)強制性的國家標準：(GB124971995)三相異步電動(dòng)機經(jīng)濟運行。希望依此來(lái)規范三相異步電動(dòng)機的經(jīng)濟運行，國標的發(fā)布對低壓電動(dòng)機的經(jīng)濟運行起了很大的促進(jìn)作用，但對中壓電動(dòng)機則收效甚微。其原因是：

(1)中壓電動(dòng)機一般容量較大，一旦發(fā)生故障，其影響也大，因此對節電措施的可靠性的要求就更高;

(2)中壓電動(dòng)機節電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制，節電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)在技術(shù)上難度更大一些。到目前為上，國內尚無(wú)定型的中壓電動(dòng)機軟起動(dòng)和節電運行的產(chǎn)品面市。

2異步電動(dòng)機的軟起動(dòng)

由于工業(yè)生產(chǎn)機械的不斷更新和發(fā)展，對電動(dòng)機的起動(dòng)性能提出了越來(lái)越高的要求，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面：

(1)要求電動(dòng)機有足夠大的，并且能平穩提升的

起動(dòng)轉矩和符合要求的機械特性曲線(xiàn);

(2)盡可能小的起動(dòng)電流;

(3)起動(dòng)設備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、可靠，起動(dòng)操作

方便;

(4)起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗應盡可能的少。

根據以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用的起動(dòng)方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。

2.1直接起動(dòng)的危害

直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過(guò)閘刀或接觸器將電動(dòng)機直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快，但是直接起動(dòng)的危害很大：

(1)電網(wǎng)沖擊：過(guò)大的起動(dòng)電流(空載起動(dòng)電流可達額定電流的4～7倍，帶載起動(dòng)時(shí)可達8～10倍或更大)，會(huì )造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設備的正常運行，還可能使欠壓保護動(dòng)作，造成設備的有害跳閘。同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì )使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命;

(2)機械沖擊：過(guò)大的沖擊轉矩往往造成電動(dòng)機轉子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導致?lián)舸龣C，轉軸扭曲，聯(lián)軸節、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等;

(3)對生產(chǎn)機械造成沖擊：起動(dòng)過(guò)程中的壓力突變往往造成泵系統管道、閥門(mén)的損傷，縮短使用壽命;影響傳動(dòng)精度，甚至影響正常的過(guò)程控制。

所有這些都給設備的安全可靠運行帶來(lái)威脅，同時(shí)也造成過(guò)大的起動(dòng)能量損耗，尤其當頻繁起停時(shí)更是如此。因此對電動(dòng)機直接起動(dòng)有以下限制條件：(1)生產(chǎn)機械是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機直接起動(dòng)，這

是先決條件;

(2)電動(dòng)機的容量應不大于供電變壓器容量的

10%～15%;

(3)起動(dòng)過(guò)程中的電壓降△U應不大于額定電壓

的15%。對于中、大功率的電動(dòng)機一般都不允許直接起動(dòng)，而要求采用一定的起動(dòng)設備，方可完成正常的起動(dòng)工作。

2.2老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較

降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流，但它同時(shí)也使起動(dòng)轉矩下降了。對于重載起動(dòng)，帶有大的峰值負載的生產(chǎn)機械，就不能用這種方式起動(dòng)。傳統的降壓起動(dòng)有以下幾種方法：

(1)星形/三角形轉換器：這種方法適用于正常運行時(shí)定子繞組采用△接法的電動(dòng)機。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉換開(kāi)關(guān)上，起動(dòng)時(shí)采用星形接法，起動(dòng)完畢后再切換成△接法。起動(dòng)電壓為220V，運行電壓為380V。這種起動(dòng)設備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設備簡(jiǎn)單，起動(dòng)過(guò)程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊，設備故障率高，需要經(jīng)常維護，所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設備上。在轉換過(guò)程中，由于瞬變電勢和電動(dòng)機剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生電壓相加，引起過(guò)大的沖擊電流和電磁轉矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng)電壓為運行電壓的1/，故其起動(dòng)轉矩為額定轉矩的1/3，只能用在空載或輕載(負載率小于1/3)起動(dòng)的設備。在電動(dòng)機輕載或空載運行時(shí)，也可利用該起動(dòng)設備作降壓運行，以提高電動(dòng)機的功率因數和效率。

(2)自耦變壓器降壓起動(dòng)：三相自耦變壓器(也稱(chēng)補償器)高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動(dòng)機，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動(dòng)轉矩的負載。在電動(dòng)機起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9UN，以適應不同負載的要求。缺點(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。

(3)磁控軟起動(dòng)器：磁控軟起動(dòng)器是利用控磁限幅調壓的原理，在電動(dòng)機起動(dòng)過(guò)程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動(dòng)機軸上的轉矩勻速增加，起動(dòng)特性變軟，并可實(shí)現軟停車(chē)。但其起控電壓在200V左右，用戶(hù)不可調整，會(huì )有較大的電流沖擊，且體積較大。

(4)串聯(lián)電抗器或水電阻：對于高壓電機，可在定子線(xiàn)路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現降壓起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。

(5)串接頻敏變阻器或水電阻：對于繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機，可在轉子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。其他還有延邊三角形起動(dòng)，定子串電阻起動(dòng)等方法。

值得指出的是：盡管各種老式降壓起動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：就是沒(méi)有諧波污染。

2.3新型的電子式軟起動(dòng)器

隨著(zhù)電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，國內外相繼開(kāi)發(fā)出一系列電子式起動(dòng)控制設備，用于異步電動(dòng)機的起動(dòng)控制，以取代傳統的降壓起動(dòng)設備。新型的電子式軟起動(dòng)器的主電路一般都采用晶閘管調壓電路，調壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于電動(dòng)機的三相供電線(xiàn)路上。當起動(dòng)器的微機控制系統接到起動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過(guò)控制晶閘管的導通角α,使起動(dòng)器按所設計的模式調節輸出電壓,以控制電動(dòng)機的起動(dòng)過(guò)程。當起動(dòng)過(guò)程完成后，一般起動(dòng)器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管主電路，使電動(dòng)機直接投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗，軟起動(dòng)器的控制框圖如圖1所示。

所謂“軟起動(dòng)”，實(shí)際上就是按照預先設定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式：

(1)限流軟起動(dòng)：限流起動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設定值(Im)的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負載的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(cháng)，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調整，(起動(dòng)電流的限值Im必須根據電動(dòng)機的起動(dòng)轉矩來(lái)設定，Im設置過(guò)小，將會(huì )使起動(dòng)失敗或燒毀電機。)對電網(wǎng)電壓影響小。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)轉矩，起動(dòng)時(shí)間相對較長(cháng)。

圖1軟起動(dòng)器的控制框圖

圖2各種軟起動(dòng)波形圖