交流異步電機(jī)軟起動(dòng)及優(yōu)化節(jié)能控制的技術(shù)研究

1前言

目前在工礦企業(yè)中使用著大量的交流異步電動(dòng)機(jī)(包括380V/660V低壓電動(dòng)機(jī)和3kV/6kV中壓電動(dòng)機(jī))，有相當(dāng)多的異步電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)系統(tǒng)還處于非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的狀態(tài)，白白地浪費(fèi)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(jī)采用直接起動(dòng)方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)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(jī)容量選配時(shí)，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動(dòng)機(jī)容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)偏離最佳工況點(diǎn)，運(yùn)行效率和功率因數(shù)降低;

(3)從電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械自身的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性考慮，往往要求電力拖動(dòng)系統(tǒng)具有變壓、變速調(diào)節(jié)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(jī)的非經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，早已引起國家有關(guān)部門的重視，并分別于1990年和1995年制定和修定了一個(gè)強(qiáng)制性的國家標(biāo)準(zhǔn)：(GB124971995)三相異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。希望依此來規(guī)范三相異步電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，國標(biāo)的發(fā)布對低壓電動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起了很大的促進(jìn)作用，但對中壓電動(dòng)機(jī)則收效甚微。其原因是：

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

(2)中壓電動(dòng)機(jī)節(jié)電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制，節(jié)電產(chǎn)品的開發(fā)在技術(shù)上難度更大一些。到目前為上，國內(nèi)尚無定型的中壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)和節(jié)電運(yùn)行的產(chǎn)品面市。

2異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)

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

(1)要求電動(dòng)機(jī)有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的

起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線;

(2)盡可能小的起動(dòng)電流;

(3)起動(dòng)設(shè)備盡可能簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠，起動(dòng)操作

方便;

(4)起動(dòng)過程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。

根據(jù)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)是最簡單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過閘刀或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡單，起動(dòng)速度快，但是直接起動(dòng)的危害很大：

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

(2)機(jī)械沖擊：過大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)，轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等;

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

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

是先決條件;

(2)電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的

10%～15%;

(3)起動(dòng)過程中的電壓降△U應(yīng)不大于額定電壓

的15%。對于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許直接起動(dòng)，而要求采用一定的起動(dòng)設(shè)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(zhuǎn)矩下降了。對于重載起動(dòng)，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械，就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法：

(1)星形/三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用△接法的電動(dòng)機(jī)。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(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(yùn)行電壓為380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡單，起動(dòng)過程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊，設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護(hù)，所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過程中，由于瞬變電勢和電動(dòng)機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加，引起過大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的1/，故其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，只能用在空載或輕載(負(fù)載率小于1/3)起動(dòng)的設(shè)備。在電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí)，也可利用該起動(dòng)設(shè)備作降壓運(yùn)行，以提高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。

(2)自耦變壓器降壓起動(dòng)：三相自耦變壓器(也稱補(bǔ)償器)高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動(dòng)機(jī)，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(zhuǎn)矩的負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)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(yīng)不同負(fù)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(fèi)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(diào)壓的原理，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動(dòng)特性變軟，并可實(shí)現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)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(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現(xiàn)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：對于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現(xiàn)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)：就是沒有諧波污染。

2.3新型的電子式軟起動(dòng)器

隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列電子式起動(dòng)控制設(shè)備，用于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)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(diào)壓電路，調(diào)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(jī)的三相供電線路上。當(dāng)起動(dòng)器的微機(jī)控制系統(tǒng)接到起動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角α,使起動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程。當(dāng)起動(dòng)過程完成后，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(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)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(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過程。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(jī)的起動(dòng)過程中限制其起動(dòng)電流不超過某一設(shè)定值(Im)的軟起動(dòng)方式。主要用在輕載起動(dòng)的負(fù)載的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)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(diào)整，(起動(dòng)電流的限值Im必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來設(shè)定，Im設(shè)置過小，將會(huì)使起動(dòng)失敗或燒毀電機(jī)。)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(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間相對較長。

圖1軟起動(dòng)器的控制框圖

圖2各種軟起動(dòng)波形圖