交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式淺析

/大力電工 吳思思/

0 引言

隨著科技的發(fā)展，我們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，廣泛使用著各種各樣的機(jī)械設(shè)備。使其運(yùn)轉(zhuǎn)的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)亦經(jīng)過(guò)了一系列的發(fā)展，目前，由于交流電動(dòng)機(jī)較之直流電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、工作可靠、維護(hù)方便、慣量小、效率高，從而使得交流電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但其在額定電壓下直接起動(dòng)時(shí)電流通常是額定電流的5～6倍左右，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)對(duì)電機(jī)自身、負(fù)載、電網(wǎng)造成一系列的危害，主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：對(duì)電網(wǎng)沖擊大；起動(dòng)過(guò)程中對(duì)負(fù)載機(jī)械造成沖擊。

為了彌補(bǔ)以上兩點(diǎn)不足，大型交流異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其目的主要在于滿(mǎn)足以下幾個(gè)方面的要求：減小起動(dòng)電流，避免壓降過(guò)大，對(duì)電網(wǎng)及電網(wǎng)下其他設(shè)備的沖擊；起動(dòng)力矩滿(mǎn)足機(jī)械起動(dòng)要求,提供足夠的加速力矩。動(dòng)力矩必須大于靜阻力矩，確保電機(jī)順利起動(dòng)；起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)上升，避免對(duì)工藝設(shè)備的沖擊；減少起動(dòng)過(guò)程中功率的消耗。

1 交流電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方式

軟起動(dòng)設(shè)備采用不同的控制手段實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電壓、電流的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合。主要有液態(tài)電阻軟起動(dòng)、晶閘管軟起動(dòng)、定子串電阻/電抗起動(dòng)、變頻器軟起動(dòng)等，下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。

1.1 液態(tài)電阻起動(dòng)

液阻是一種由電解液形成的電阻，其導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。液阻的起動(dòng)性能及優(yōu)點(diǎn)是，系統(tǒng)功率因數(shù)高、電網(wǎng)電壓波動(dòng)較小、起動(dòng)平穩(wěn)無(wú)沖擊，液阻軟起動(dòng)裝置售價(jià)低廉，在軟起動(dòng)過(guò)程中不產(chǎn)生諧波，廣泛用于繞線(xiàn)式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。然而液阻軟起動(dòng)的使用也存在一些問(wèn)題：

1）在高電壓大電流環(huán)境中調(diào)整電極板是危險(xiǎn)的，移動(dòng)極板需要一套機(jī)構(gòu)，它的移動(dòng)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式的多樣化；

2）液阻軟起動(dòng)需要維護(hù)，液箱中的水需要定期補(bǔ)充；電極板長(zhǎng)期浸泡于電解液中，表面會(huì)有一定的銹蝕，需要作表面處理；

3）液阻軟起動(dòng)裝置不宜放在易結(jié)冰或顛簸的現(xiàn)場(chǎng)。

1.2 晶閘管軟起動(dòng)

晶閘管軟起動(dòng)的基本原理是采用晶軋管技術(shù)進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，是由多個(gè)晶軋管串并聯(lián)而成，通過(guò)控制晶軋管的觸發(fā)角來(lái)控制輸出電壓的大小，可以滿(mǎn)足電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中不同的電流及電壓要求。在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，起動(dòng)裝置按照預(yù)先設(shè)定的起動(dòng)曲線(xiàn)，加大晶閘管觸發(fā)角，逐步提高電機(jī)的端電壓，使電機(jī)平滑加速，從而減少了電機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)本身、相連設(shè)備的電氣及機(jī)械沖擊。當(dāng)電機(jī)達(dá)到正常轉(zhuǎn)速后，旁路真空接觸器接通，電機(jī)起動(dòng)完畢。此后，軟起動(dòng)裝置繼續(xù)監(jiān)控電機(jī)并提供各種故障保護(hù)。

晶閘管軟起動(dòng)的特點(diǎn)是：參數(shù)可調(diào)，起動(dòng)方式多樣；起動(dòng)性能穩(wěn)定，重復(fù)精度高；體積小，壽命長(zhǎng)，安裝維護(hù)方便。不足之處是起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的諧波電流注入量比較大，對(duì)諧波控制要求較高的工礦企業(yè)應(yīng)采取相應(yīng)措施。

1.3 定子串電阻/電抗器降壓起動(dòng)

串電阻降壓起動(dòng)就是在定子側(cè)串聯(lián)可變電阻，隨著轉(zhuǎn)速升高分級(jí)切除電阻直至電阻完全被切除，最后電機(jī)在額定電壓下運(yùn)行。電阻降壓起動(dòng)屬于能耗式降壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)消耗大量的電能；同時(shí)起動(dòng)頻次較低，控制精度受外界的影響很大，起動(dòng)電流偏大，對(duì)負(fù)載有較大沖擊，體積和重量較大，維護(hù)量大。它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、無(wú)諧波。

采用電抗器類(lèi)（磁控）軟起動(dòng)，特點(diǎn)是控制較靈活，起動(dòng)電流的設(shè)置較方便。缺點(diǎn)是本來(lái)電機(jī)起動(dòng)時(shí)的功率因數(shù)就低，因串接電抗器而變得更低，因此對(duì)電力系統(tǒng)沒(méi)有太多的好處，母線(xiàn)壓降大。選用電抗器時(shí)便會(huì)陷入這樣的矛盾之中：為了減小起動(dòng)電流總希望電抗值大一些，但這樣又容易造成起動(dòng)失敗，尤其是當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定和負(fù)載狀況經(jīng)常變化時(shí)，為了保證起動(dòng)的成功率，電抗值就要小一些，但這樣起動(dòng)電流又偏大，所以電抗器適于電網(wǎng)電壓和負(fù)載(起動(dòng)時(shí))比較穩(wěn)定的情況。

1.4 變頻軟起動(dòng)

變頻器可以改變供電頻率，從而改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。在起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)變頻，逐步提高同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)良好的靜、動(dòng)態(tài)起動(dòng)性能。變頻軟起動(dòng)的起動(dòng)電流小，可限制在1.5倍的電動(dòng)機(jī)額定電流以下，同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍，在此范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。變頻軟起動(dòng)很重要的優(yōu)勢(shì)在于，電壓和頻率都能連續(xù)地從零開(kāi)始調(diào)節(jié)，同時(shí)做到無(wú)過(guò)流。

變頻軟起動(dòng)的缺點(diǎn)主要有三點(diǎn)：器件損耗大，故障率較高，需要經(jīng)常維修；諧波注入量大，污染電網(wǎng)；設(shè)備非常昂貴，尤其是作為軟起動(dòng)設(shè)備時(shí)。

1.5 配合無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖择钭儔浩髌饎?dòng)

自耦變壓器起動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)利用自耦變壓器來(lái)降低加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的起動(dòng)電壓。待電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，再使電動(dòng)機(jī)與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運(yùn)行。三相自耦變壓器一次側(cè)接電網(wǎng)，二次側(cè)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(duì)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，根據(jù)需要調(diào)整k值以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。起動(dòng)特性如下：

由上可以看到自耦變壓器起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流與k2成正比，所需電網(wǎng)電流較小，適合阻力矩比較大的情況，價(jià)格較低。與電抗器降壓起動(dòng)相比，在獲得同樣起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，自耦變壓器式降壓起動(dòng)需電網(wǎng)提供的起動(dòng)電流較小，對(duì)電網(wǎng)電壓的影響小，適合于阻力矩比較大的情況，以及電網(wǎng)短路容量較小的情況，這是它優(yōu)于電抗器起動(dòng)的地方。

值得注意的是，與電抗器一樣，自耦變壓器同樣可以等效成一理想變壓器與電感元件串聯(lián)，在起動(dòng)的很短時(shí)間內(nèi)，由于電機(jī)幾乎不輸出有功，加之與電感元件串聯(lián)，功率因數(shù)進(jìn)一步惡化，如圖1所示。

圖1

由上圖可以看到，在起動(dòng)回路中電動(dòng)機(jī)等效電阻RD在轉(zhuǎn)差率S=1時(shí)為0，故起動(dòng)回路為電機(jī)等效電感與自耦變壓器等效電感相串聯(lián)，大量的無(wú)功功率從電網(wǎng)注入電機(jī)起動(dòng)回路用于建立電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而提供起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故無(wú)功注入是必要的，問(wèn)題是在注入過(guò)程中，感性電流在流過(guò)系統(tǒng)阻抗Xs時(shí)，必然會(huì)造成系統(tǒng)壓降增大和大量無(wú)功功率的有功損耗。如果能夠提供另一無(wú)功源，減輕電網(wǎng)提供無(wú)功的壓力，那么勢(shì)必會(huì)減少由于電網(wǎng)無(wú)功電流的注入引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，我們自然想到了電容無(wú)功補(bǔ)償裝置。如圖2所示。

圖2

從感性元件和容性元件的特性可以知道，單純的感性或容性負(fù)荷，都是會(huì)消耗無(wú)功容量，但是兩者并聯(lián)，在保證不發(fā)生并聯(lián)諧振的前提下，可以盡量減少電源的無(wú)功注入，基于以上原理，在電機(jī)采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)采用電容器并聯(lián)方式，用于補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)所需要的感性無(wú)功。

在補(bǔ)償點(diǎn)的選擇上，可以選擇自耦變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)，或者兩側(cè)都補(bǔ)償一定量的容性無(wú)功。如何選擇補(bǔ)償點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)配置和電機(jī)起動(dòng)要求綜合判定，如電機(jī)容量較小，而且母線(xiàn)上預(yù)伏負(fù)荷比重較大時(shí)，起動(dòng)成套裝置應(yīng)把電容補(bǔ)償點(diǎn)設(shè)計(jì)在自耦變壓器一次側(cè)。電容器電壓等級(jí)按電網(wǎng)標(biāo)稱(chēng)電壓選取，在起動(dòng)完成后，成套裝置的電容補(bǔ)償部分，仍可起到補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功的作用，為用戶(hù)節(jié)省了開(kāi)支。如果電機(jī)容量較大，母線(xiàn)上預(yù)付負(fù)荷較少，從母線(xiàn)到電機(jī)端電纜較長(zhǎng)，這樣補(bǔ)償點(diǎn)宜選擇在自耦變壓器，以減少無(wú)功在電纜中的流動(dòng)，電容器電壓等級(jí)應(yīng)按二次側(cè)最高電壓選擇，以避免在起動(dòng)過(guò)程中由于起動(dòng)回路阻抗變化引起電容器過(guò)壓。

2 結(jié)束語(yǔ)

交流電動(dòng)機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠和價(jià)格便宜而被廣泛采用，在額定電壓下直接起動(dòng)時(shí)卻對(duì)電網(wǎng)的影響大，對(duì)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備有一定的傷害，合理的選擇軟起動(dòng)設(shè)備可以保護(hù)電機(jī)，延長(zhǎng)電機(jī)使用壽命，保護(hù)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備。不同的方式在解決不同的問(wèn)題時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的性能是不完全相同的，選擇的時(shí)候不僅要考慮設(shè)備的先進(jìn)性，也要考慮其經(jīng)濟(jì)性能，針對(duì)軟起動(dòng)設(shè)備的特殊性，亦要考慮設(shè)備的可靠性，及后期管理、維護(hù)的工作量。

[1] 胡紅明.異步電機(jī)軟起動(dòng)研究[D].武漢:華中科技大學(xué)2010.

[2] 余龍海.大型電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r綜述[C].工業(yè)企業(yè)電力節(jié)能減排研討會(huì)暨第二屆用電企業(yè)技術(shù)年會(huì)論文集,2008.

[3] 袁佑新,夏澤中,胡紅明.基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代造紙機(jī)械電力傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[C].2006中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子學(xué)會(huì)第十屆學(xué)術(shù)年會(huì)，2006.

[4] 袁佑新,于敬芬,胡紅明,等.基于VC的儲(chǔ)箱液位數(shù)據(jù)采集與處理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,29(6)：131-133.