三相交流異步電動機軟啟動裝置的工作原理研究

王運英 鶴壁豐鶴發(fā)電股份有限公司

1. 電動機軟啟動技術(shù)與裝置的研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)，主要是國外的品牌占據(jù)中國的電動機軟啟動裝置市場，如AB、ABB、施耐德、西門子等公司的品牌。但這些公司的產(chǎn)品大都是在線運行方式的晶閘管調(diào)壓軟啟動裝置。缺點是把晶閘管作為主開關(guān)，在線運行時會在電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成較大危害；長期在線運行的晶閘管，消耗大量的能量，浪費大量的能源；晶閘管作為主開關(guān)長期工作，沒有機械式開關(guān)的工作可靠性高；昂貴的產(chǎn)品價格，給用戶造成經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

到了21世紀(jì)初，國內(nèi)廠家開發(fā)了旁路型軟啟動裝置，即電動機啟動完成后，把電動機旁路到接觸器上運行。優(yōu)點是克服了晶閘管在線運行的缺點，尤其不需要附加機械風(fēng)冷降溫。但是，它同時帶來了另外一些問題：一是使得整個電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加，可靠性降低；二是功能強大的智能控制器的作用沒有得到充分發(fā)揮，有的失去對電動機的保護作用；三是成套裝置的體積增加，成本升高；四是變得復(fù)雜的電路系統(tǒng)，使得維護與檢修的難度增加。

2. 本文主要研究內(nèi)容

本文主要在分析異步電動機的啟動與制動原理的基礎(chǔ)上研究軟啟動裝置的基本原理。

2.1 交流異步電動機啟動方式

作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的三相異步電動機，在以下情況下需進行軟啟動：一是電動機啟動時，機械不能承受全壓啟動的沖擊轉(zhuǎn)矩；二是電動機啟動時，其端電壓不能滿足規(guī)范要求；三是電動機啟動時，影響其他負(fù)荷的正常運行。

中、大容量的異步電動機傳統(tǒng)的啟動方式是減壓啟動，方式有Y/△啟動、自耦變壓器啟動、定子串電抗或串電阻啟動等等。這些啟動方式都屬于有級減壓啟動，存在明顯的缺陷，即啟動過程中出現(xiàn)二次沖擊電流。

目前最先進最流行的是電子軟啟動裝置。軟啟動與傳統(tǒng)減壓啟動方式相比，其優(yōu)點是：

（1）無沖擊電流，對機械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩沖擊小。軟啟動裝置在啟動電機時，通過逐漸減小晶閘管導(dǎo)通角，使電機啟動電流從零線性上升至設(shè)定值。

（2）軟啟動裝置比傳統(tǒng)的啟動裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用簡單，維護方便，安全可靠，使用壽命長。

（3）負(fù)載適應(yīng)性強，調(diào)試方便。可根據(jù)負(fù)載變化，方便、自由地調(diào)整所有啟動參數(shù)，從而使得各種負(fù)載達到最佳的啟動效果。

2.2 電動機軟啟動裝置工作原理

所謂電動機“軟啟動”，是將交流電動機接入由晶閘管組成的三相交流調(diào)壓電路。在電動機的啟動過程中，由控制電路調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，使加在電動機定子繞組上的端電壓由某一初值開始逐步爬升至全電壓，電動機將在較小的啟動電流條件下由零速平穩(wěn)上升到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要電動機具有不同啟動特性以適應(yīng)不同的工況要求時，通過改變觸發(fā)角的變化規(guī)律，可以改變電動機的啟動模式，適應(yīng)不同的工況要求。

2.2.1 電動機軟啟動裝置組成和工作原理

電動機軟啟動裝置基本由三相晶閘管交流調(diào)壓電路、電源同步檢測回路、觸發(fā)角控制和調(diào)節(jié)回路、觸發(fā)脈沖形成和隔離放大回路、反饋量檢測回路組成。

交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡單的調(diào)速方法，在異步電動機定子回路中串入電抗器或在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器，可以實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。晶閘管軟啟動器正是應(yīng)用了交流調(diào)壓調(diào)速的原理，它的主電路結(jié)構(gòu)形式同晶閘管三相交流調(diào)壓電路完全一致，它利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變實際施加在電動機定子繞組上的電壓有效值，從而減小電動機啟動電流。這就是晶閘管電動機軟啟動器之所以能夠減小電動機啟動電流，從而實現(xiàn)軟啟動的基本原理。

2.2.2 電動機軟啟動裝置啟動模式

為了適應(yīng)各種運行工況和負(fù)載性質(zhì)的要求，軟啟動裝置具有不同的啟動模式。

(1)電壓斜坡啟動

電壓斜坡啟動是最常用的啟動模式，它的原理如圖2-1所示。它是一種通過減少啟動轉(zhuǎn)矩的沖擊，實現(xiàn)對電動機平滑、連續(xù)無級加速的啟動模式，它可以減少對電動機所拖動的機械中的齒輪、聯(lián)軸器、傳送帶等零部件的損壞。用戶可先設(shè)定一個初始的啟動轉(zhuǎn)矩，從初始的啟動轉(zhuǎn)矩開始，在加速斜坡時間內(nèi)，控制晶閘管的觸發(fā)角由初始值逐漸下降到零，電動機的輸出電壓緩慢增加直至全電壓。其中，加速斜坡的時間可調(diào)，如果在電壓上升過程中，電動機已經(jīng)達到全速，輸出電壓將自動切換自全電壓。

圖2 -1 斜坡啟動原理圖

(2)斜坡限流啟動

斜坡限流啟動原理如圖2-2所示。當(dāng)按照電壓斜坡啟動模式控制電動機啟動時，如果啟動時間和初始啟動電壓參數(shù)設(shè)置不合理，或者電動機負(fù)載的變化，可能會導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速上升緩慢而外加到電動機上的電壓增加較快，這時采用限流啟動模式。在這種模式下啟動電動機，輸出電壓在設(shè)定時間內(nèi)平穩(wěn)上升，同時輸出電流以一定的速率增加，當(dāng)啟動電流增至限定值時，保持電流恒定，直至啟動完成。

圖2 -2 斜坡限流啟動原理圖

(3)帶突跳的電壓斜坡啟動

帶突跳的電壓斜坡啟動原理如圖2-3所示。當(dāng)電動機在啟動初始時刻，由于其靜摩擦轉(zhuǎn)矩很大（遠大于動摩擦轉(zhuǎn)矩），電動機需要較大的初始轉(zhuǎn)矩，以克服靜摩擦轉(zhuǎn)矩及負(fù)載等阻力轉(zhuǎn)矩，才能轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)電動機轉(zhuǎn)動后，靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?，其阻力轉(zhuǎn)矩反而減小了。

帶突跳的電壓斜坡啟動模式就是在啟動初始時刻，在電動機上施加一個較高的電壓脈沖，使電動機輸出足夠的轉(zhuǎn)矩能夠轉(zhuǎn)動起來，然后電動機端電壓再從一個設(shè)定的基值電壓開始逐漸上升，以減小電動機的啟動電流。

圖2 -3 帶突跳的電壓斜坡啟動原理圖

(4)帶突跳的斜坡限流啟動

帶突跳的斜坡限流啟動原理如圖2-4所示。這種啟動模式中有一電流限制環(huán)節(jié)，它是在帶突跳的電壓斜坡啟動方式的基礎(chǔ)上增加的。其作用是為了防止電動機在斜坡啟動過程中，電流超過設(shè)定值。其原理與斜坡限流啟動方式相同。

圖2 -4 帶突跳的斜坡限流啟動