交流異步電機軟起動(dòng)及優(yōu)化節能控制的技術(shù)研究

(a)限流起動(dòng)(b)電壓斜坡起動(dòng)(c)轉矩控制起動(dòng)

(d)轉矩加突跳控制起動(dòng)(e)電壓控制起動(dòng)

(2)電壓斜坡起動(dòng)：輸出電壓由小到大斜坡線(xiàn)性上升，將傳統的降壓起動(dòng)變有級為無(wú)級，主要用在重載起動(dòng)。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉矩小，且轉矩特性呈拋物線(xiàn)型上升對起動(dòng)不利，且起動(dòng)時(shí)間長(cháng)，對電機不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)：輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動(dòng)機起動(dòng)所需的最小轉矩所對應的電壓值，然后按設定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據負載特性調整。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對較大，但起動(dòng)時(shí)間相對較短，適用于重載起動(dòng)的電機。

(3)轉矩控制起動(dòng)：主要用在重載起動(dòng)，它是按電動(dòng)機的起動(dòng)轉矩線(xiàn)性上升的規律控制輸出電壓，它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好，對拖動(dòng)系統有利，同時(shí)減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(cháng)。

(4)轉矩加突跳控制起動(dòng)：轉矩加突跳控制起動(dòng)與轉矩控制起動(dòng)一樣也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉矩，克服拖動(dòng)系統的靜轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì )給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時(shí)應特別注意。

(5)電壓控制起動(dòng)：電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合，在保證起動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機獲得最大的起動(dòng)轉矩，盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式。各種軟起動(dòng)方式的相應起動(dòng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

停車(chē)方式有三種：一是自由停車(chē)，二是軟停車(chē)，三是制動(dòng)停車(chē)。軟起動(dòng)器帶來(lái)的最大好處是軟停車(chē)和制動(dòng)停車(chē)，軟停車(chē)消除了拖動(dòng)系統的反慣性沖擊，對于水泵就是“水錘”效應;制動(dòng)停車(chē)則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車(chē)功能。

2.4軟起動(dòng)器與傳統降壓起動(dòng)器的比較

軟起動(dòng)器與傳統降壓起動(dòng)器的性能比較見(jiàn)表1。

2.5軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合

(1)生產(chǎn)設備精密，不允許起動(dòng)沖擊，否則會(huì )造成生產(chǎn)設備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合;

(2)電動(dòng)機功率較大，若直接起動(dòng)，要求主變壓器 產(chǎn)品主要性能數字式軟起動(dòng)器磁控降壓起動(dòng)器自耦降壓起動(dòng)器

起動(dòng)特性軟特性：用戶(hù)可以調整特性較硬：不能調整硬特性：不能調整

起動(dòng)電流特性曲線(xiàn)

起始電壓0～380V任意可調200V左右：用戶(hù)不能調整250V左右：用戶(hù)不能調整

起動(dòng)沖擊電流無(wú)1次，約為電機額定電流IN的6倍2次，約為電機額定電流IN的7倍

起動(dòng)電流(0.5～4)IN，用戶(hù)可視負載輕重調整(2～3)IN以上，不能調整(3～5)IN以上，不能調整

電機轉矩特性沒(méi)有沖擊轉矩，力矩勻速平滑上升1次沖擊轉矩后，力矩勻速平滑上升力矩跳躍上升，有2次沖擊轉矩

負載適應能力強一般較差

能否頻繁起動(dòng)可以一般不能一般不能

起動(dòng)方式限流軟起動(dòng)或電壓斜坡起動(dòng)任選區域恒流軟起動(dòng)分段式恒壓起動(dòng)

執行元件電力電子器件磁飽和電抗器(磁放大器)自耦變壓器

控制元件和控制方式16位高性能單片計算機模糊控制繼電器及普通電子元件繼電電子控制繼電器繼電控制

整機重量/體積輕/小較重/較大重/大

外接電纜數量6根(3進(jìn)、3出)6根或9根(130kW以上為：3進(jìn)、6出)6根(3進(jìn)、3出)

表1軟起動(dòng)器與傳統降壓起動(dòng)器的比較

容量加大的場(chǎng)合;

(3)對電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴格，對壓降要求≤

10%UN的供電系統;

(4)對起動(dòng)轉矩要求不高，可進(jìn)行空載或輕載起

動(dòng)的設備。

嚴格地講，起動(dòng)轉矩應當小于額定轉矩50%的拖動(dòng)系統，才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng)沖擊問(wèn)題。對于需重載或滿(mǎn)載起動(dòng)的設備，若采用軟起動(dòng)器起動(dòng)，不但達不到減小起動(dòng)電流的目的，反而會(huì )要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量，增加成本;若操作不當，還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因為軟起動(dòng)器調壓不調頻，轉差功率始終存在，難免產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流;而變頻器采用調頻調壓方式，可實(shí)現無(wú)過(guò)流軟起動(dòng)，且可提供1.2～2倍額定轉矩的起動(dòng)轉矩，特別適用于重載起動(dòng)的設備。但是變頻器的價(jià)格要比軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多了。

3異步電動(dòng)機經(jīng)濟運行和優(yōu)化節電控制技術(shù)

3.1異步電動(dòng)機降壓節電技術(shù)概述

對于滿(mǎn)載或重載運行的電動(dòng)機，降低其端電壓將會(huì )造成嚴重后果，隨著(zhù)端電壓的降低，電動(dòng)機的磁通和電動(dòng)勢隨之減小，鐵耗無(wú)疑將下降。但與此同時(shí)，隨電壓平方變化的電動(dòng)機轉矩也迅速下降而小于負載轉矩，電動(dòng)機只能依靠增大轉差率，提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平衡的狀態(tài)。轉差率的增大，引起轉子電流增大，同時(shí)引起定子和轉子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉子銅耗增加值大大超過(guò)鐵耗的下降值，這時(shí)電動(dòng)機繞組溫升將會(huì )增高，效率將會(huì )下降，甚至發(fā)生電動(dòng)機燒毀事故。因而，一般規程都規定了電動(dòng)機正常運行時(shí)電壓變化范圍不得超過(guò)額定電壓的95%～110%。

然而對于輕載運行的電動(dòng)機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經(jīng)濟上是有利的。這是因為在輕載運行時(shí)，電動(dòng)機的實(shí)際轉差率大大小于額定值，轉子電流并不大，在降壓運行時(shí)，轉子電流增加的數值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動(dòng)機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數同時(shí)得到改善。由此可見(jiàn)，電動(dòng)機的運行經(jīng)濟性與電動(dòng)機負載率同運行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動(dòng)機的力能指標(運行效率與功率因數)與其端電壓之間存在如下的數量關(guān)系[2]：

cosφ=(1)

η=(2)

式中：SN和S為電動(dòng)機額定工況和降壓運行的轉差率;cosφN和cosφ為電動(dòng)機額定工況和降壓運行的功率因數;

ηN和η為電動(dòng)機額定工況和降壓運行的效率;

KU為電動(dòng)機的調壓系數，KU=U/UN(UN和U為電動(dòng)機額定電壓和降壓運行時(shí)的實(shí)際電壓);

KI為電動(dòng)機的空載電流系數，KI=IO/IN(IN和

IO為電動(dòng)機的額定電流和空載電流)。

從式(2)不難看出：并不是所有的降壓行為都能達到節電的目的，只有當電壓降低程度大于轉差率及功率因數上升程度時(shí)，才能使運行效率提高。實(shí)際上，電動(dòng)機效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線(xiàn)，對應于每一個(gè)輸出功率(或負載系數)，必然存在一個(gè)最佳調壓系數KUm，當KU=KUm時(shí)，電動(dòng)機的損耗最低，效率最高。KUm稱(chēng)為電動(dòng)機的最佳電壓調節系數。不同負載下最佳電壓調節系數KUm可按電動(dòng)機的負載系數β由下式確定[1]：

KUm=(3)

式中：ΣPN為電動(dòng)機額定負載時(shí)的有功損耗(kW);

PO為電動(dòng)機的空載損耗(kW);

K為計算系數，K=(PO-Pfw)/ΣPN〔Pfw為電

動(dòng)機的機械損耗(kW)〕;

β為電動(dòng)機的負載系數，β=(P2/PN)·100%

(P2為電動(dòng)機的輸出功率，PN為電動(dòng)機的

額定功率)。

文獻[1]給出了輕載電動(dòng)機采用降壓節電措施后，節約電能的計算公式為：

節約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN-PO)β2(1-1/KU2)+ΣPN(1-KU2)(4)

節約的無(wú)功功率ΔQ為：

ΔQ=(QN-QO)β2(1-)+QO(1-KU2)(5)

式中：QN為電動(dòng)機帶額定負載時(shí)的無(wú)功功率(kvar);

QO為電動(dòng)機的空載無(wú)功功率(kvar)。

節約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP+KQΔQ)(6)

式中：KQ為無(wú)功經(jīng)濟當量，當電動(dòng)機直連電機母線(xiàn)

KQ=0.02～0.04，二次變壓取KQ=0.05～

0.07，三次變壓取KQ=0.08～0.10;

Tec為電動(dòng)機年運行時(shí)間(h)。

3.2優(yōu)化節電的控制依據

(1)功率因數(cosφ)控制法

最早出現的異步電機優(yōu)化節電器為Nolacosφ功率因數控制器,其原理是通過(guò)檢測電動(dòng)機運行中的cosφ值，與預先設定的基準值比較，當實(shí)際值低于設定值時(shí)，說(shuō)明電動(dòng)機為輕載，通過(guò)降低電動(dòng)機的端電壓來(lái)提高cosφ，直到實(shí)際的cosφ測量值達到設定值為止，實(shí)現了節電;cosφ數值高表明是重載，則升高電機端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節電法：控制對象是電動(dòng)機的功率因數，而目的是節電。由于交流異步電機的最佳功率因數在全工作范圍內呈曲線(xiàn)變化;不同制造廠(chǎng)生產(chǎn)的同一規格的異步電機的功率因數呈一定的離散性;同一臺電機在其壽命期不同階段，在同一工況下的功率因數也呈現一定的離散性，這就給設計和調整帶來(lái)一定的困難。故這種方法不能達到最佳節電效果，并且理論與實(shí)踐都已證明，過(guò)高的功率因數值對于異步電機來(lái)說(shuō)，并不節電。

(2)最小輸入功率法

交流異步電機工作時(shí)，從電網(wǎng)輸入的電功率P1，一部分轉換成電機軸上的機械功率P2輸出，另一部分則是自身的損耗PS，包括鐵耗與銅耗兩部分。其中鐵耗與輸入電壓的平方成正比，而銅耗則與其電流的平方成正比，只有在銅耗等于鐵耗時(shí)，電機的效率最高，損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機工作的任一負載點(diǎn)上，在保證軸上機械功率輸出的前提下，通過(guò)降低電機的端電壓而減小電機自身的損耗，從而達到節能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當電壓降到一定程度之后，若繼續下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗。通過(guò)微機自動(dòng)尋優(yōu)，讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平，也即電壓與電流的乘積——輸入的電功率達到最小值，實(shí)現最優(yōu)節電目的。