交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(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機（包括380V/660V低壓電動機和3kV/6kV中壓電動機），有相當多的異步電動機及其拖動系統(tǒng)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方式，除了造成對電網(wǎng)及拖動系統(tǒng)的沖擊和事故之外，8～10倍的起動電流也造成巨大的能量損耗；

（2）在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全余量，且層層加碼，結(jié)果使電動機容量過大，造成“大馬拉小車”的現(xiàn)象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數(shù)降低；

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

電動機的非經(jīng)濟運行情況，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強制性的國家標準：（GB124971995）三相異步電動機經(jīng)濟運行。希望依此來規(guī)范三相異步電動機的經(jīng)濟運行，國標的發(fā)布對低壓電動機的經(jīng)濟運行起了很大的促進作用，但對中壓電動機則收效甚微。其原因是：

（1）中壓電動機一般容量較大，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）中壓電動機節(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機軟起動和節(jié)電運行的產(chǎn)品面市。

2異步電動機的軟起動

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

（1）要求電動機有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的

起動轉(zhuǎn)矩和符合要求的機械特性曲線；

（2）盡可能小的起動電流；

（3）起動設備盡可能簡單、經(jīng)濟、可靠，起動操作

方便；

（4）起動過程中的功率損耗應盡可能的少。

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

2.1直接起動的危害

直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過閘刀或接觸器將電動機直接接到電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點是起動設備簡單，起動速度快，但是直接起動的危害很大：

（1）電網(wǎng)沖擊：過大的起動電流（空載起動電流可達額定電流的4～7倍，帶載起動時可達8～10倍或更大），會造成電網(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作，造成設備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命；

（2）機械沖擊：過大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等；

（3）對生產(chǎn)機械造成沖擊：起動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；影響傳動精度，甚至影響正常的過程控制。

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

是先決條件；

（2）電動機的容量應不大于供電變壓器容量的

10％～15％；

（3）起動過程中的電壓降△U應不大于額定電壓

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

2．2老式降壓起動方式的適用場合及性能比較

降壓起動的目的是減小起動電流，但它同時也使起動轉(zhuǎn)矩下降了。對于重載起動，帶有大的峰值負載的生產(chǎn)機械，就不能用這種方式起動。傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法：（1）星形/三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運行時定子繞組采用△接法的電動機。定子有六個接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，起動時采用星形接法，起動完畢后再切換成△接法。起動電壓為220V，運行電壓為380V。這種起動設備的優(yōu)點是起動設備簡單，起動過程中消耗能量少。缺點是有二次電流沖擊，設備故障率高，需要經(jīng)常維護，所以不宜使用在頻繁起動的設備上。在轉(zhuǎn)換過程中，由于瞬變電勢和電動機剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差，嚴重時會產(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。由于起動電壓為運行電壓的1/，故其起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3，只能用在空載或輕載（負載率小于1/3）起動的設備。在電動機輕載或空載運行時，也可利用該起動設備作降壓運行，以提高電動機的功率因數(shù)和效率。

（2）自耦變壓器降壓起動：三相自耦變壓器（也稱補償器）高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉(zhuǎn)矩的負載。在電動機起動后再將其切除。其優(yōu)點是起動電壓可以選擇，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)磁控軟起動器：磁控軟起動器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在電動機起動過程中電壓可由一個較低的值平滑地上升到全壓，使電動機軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動特性變軟，并可實現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會有較大的電流沖擊，且體積較大。

(4)串聯(lián)電抗器或水電阻：對于高壓電機，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實現(xiàn)降壓起動，待起動完成后再將其切除。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機，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實現(xiàn)起動，待起動完成后再將其切除。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，定子串電阻起動等方法。

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

2．3新型的電子式軟起動器

隨著電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出一系列電子式起動控制設備，用于異步電動機的起動控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動設備。新型的電子式軟起動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，串接于電動機的三相供電線路上。當起動器的微機控制系統(tǒng)接到起動指令后，便進行有關(guān)的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導通角α,使起動器按所設計的模式調(diào)節(jié)輸出電壓,以控制電動機的起動過程。當起動過程完成后，一般起動器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管主電路，使電動機直接投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗，軟起動器的控制框圖如圖1所示。

所謂“軟起動”，實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓起動過程。目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式：

（1）限流軟起動：限流起動顧名思義就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值（Im）的軟起動方式。主要用在輕載起動的負載的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，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這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整，（起動電流的限值Im必須根據(jù)電動機的起動轉(zhuǎn)矩來設定，Im設置過小，將會使起動失敗或燒毀電機。）對電網(wǎng)電壓影響小。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。

圖1軟起動器的控制框圖

圖2各種軟起動波形圖