淺析交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)

郝淑榮

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

淺析交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)

郝淑榮

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110003)

對(duì)交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹，包括軟啟動(dòng)技術(shù)的原理、類別及軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)形式等。并通過對(duì)幾種軟啟動(dòng)技術(shù)及傳統(tǒng)啟動(dòng)技術(shù)的可靠性、安全性及對(duì)電網(wǎng)的沖擊等方面進(jìn)行綜合對(duì)比，分析軟啟動(dòng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了闡述。

軟啟動(dòng)技術(shù);交流電動(dòng)機(jī);原理;形式

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的增長和工業(yè)化程度的進(jìn)展，電動(dòng)機(jī)在生產(chǎn)中的應(yīng)用也隨之增多，其中大型電動(dòng)機(jī)所占比例也有所增多。交流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)技術(shù)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性及安全性影響很大。如傳統(tǒng)的直接啟動(dòng)技術(shù)，在全壓啟動(dòng)的條件下產(chǎn)生的電流及轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)器的額定電流和額定轉(zhuǎn)矩，不僅會(huì)對(duì)機(jī)器產(chǎn)生較大的損傷，同樣會(huì)造成電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定。尤其是對(duì)于大型機(jī)械，傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式已經(jīng)不能滿足其要求，因此交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文將對(duì)交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)的原理及特性進(jìn)行介紹，并對(duì)其可靠性、安全性、機(jī)械方面及對(duì)電網(wǎng)的沖擊方面進(jìn)行綜合分析。

2 傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng)方式

2．1 傳統(tǒng)啟動(dòng)方式

傳統(tǒng)啟動(dòng)方式包括全壓直接啟動(dòng)及降壓啟動(dòng)方式，包括Y/Δ啟動(dòng)、電阻減壓或電抗減壓啟動(dòng)和自耦變壓啟動(dòng)等。全壓直接啟動(dòng)是最簡單、經(jīng)濟(jì)的方法，但是其產(chǎn)生過大的電流易造成機(jī)器的燒毀，同時(shí)會(huì)使線路壓降增大從而造成電網(wǎng)電壓的顯著下降。降壓啟動(dòng)方式對(duì)全壓直接啟動(dòng)做了一定的改進(jìn)，是以低于額定電壓的方式啟動(dòng)再轉(zhuǎn)換至額定電壓下運(yùn)行的方式。但是，一般是將啟動(dòng)電壓降至固定值，如果設(shè)置不當(dāng)或運(yùn)行不當(dāng)，則會(huì)產(chǎn)生二次沖擊等問題，降壓啟動(dòng)方式不能實(shí)現(xiàn)電壓平滑的轉(zhuǎn)換。

2．2 軟啟動(dòng)方式

針對(duì)傳統(tǒng)啟動(dòng)的問題，交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)方式應(yīng)運(yùn)而生。電壓由零逐步提升至額定電壓，使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的全過程都不存在沖擊轉(zhuǎn)矩，平滑地啟動(dòng)運(yùn)行，這就是軟啟動(dòng)。目前軟啟動(dòng)的方式有很多，包括液阻軟啟動(dòng)、電抗器軟啟動(dòng)、磁控制軟啟動(dòng)、晶閘管軟啟動(dòng)及變頻軟啟動(dòng)等。軟啟動(dòng)所用設(shè)備包括軟啟動(dòng)器與變頻器。軟啟動(dòng)器(Soft Starter)是一種集軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置。軟啟動(dòng)器又可分為液阻軟啟動(dòng)器、固態(tài)軟啟動(dòng)器及電磁式軟啟動(dòng)器等形式，最通用的是固態(tài)晶閘管式軟啟動(dòng)器。而軟啟動(dòng)器與變頻器的不同在于，軟啟動(dòng)器用于電機(jī)啟動(dòng)只是改變輸出電壓而未改變頻率，變頻器則是同時(shí)改變輸出電壓及頻率，主要用于電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

3 軟啟動(dòng)技術(shù)介紹

3．1 軟啟動(dòng)的幾種啟動(dòng)方式

(1)斜坡電壓啟動(dòng):如圖1所示，這種啟動(dòng)方式是通過調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角使之與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系增加。但是由于其不具備電流閉環(huán)控制，所以沒有限流的作用。斜坡電壓啟動(dòng)是將傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)從有級(jí)變?yōu)闊o級(jí)，但是由于其可能產(chǎn)生較大的電流沖擊而對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，使其應(yīng)用受到一定的限制，一般多用于重載的啟動(dòng)。

(2)限流啟動(dòng):如圖2所示，限流啟動(dòng)是預(yù)先設(shè)定一個(gè)電流值，并在不超過該設(shè)定電流值的條件下啟動(dòng)。限流啟動(dòng)方式在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的開始階段電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值后保持恒定，直至啟動(dòng)完畢正常運(yùn)行。限流啟動(dòng)時(shí)，若設(shè)定值較大則啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增大，啟動(dòng)時(shí)間則較短，但是如果設(shè)定電流值較大則容易對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，因此選擇適宜的限流值是很重要的。限流啟動(dòng)主要應(yīng)用于輕載啟動(dòng)的負(fù)載降壓啟動(dòng)中。

圖1 斜坡電壓啟動(dòng)

圖2 限流啟動(dòng)

(3)轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng):如圖3所示，該啟動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，啟動(dòng)平滑柔性好，可以更好地保護(hù)拖動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)可以降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)瞬間對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊。但是轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)的啟動(dòng)時(shí)間較長，而轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)則可以縮短啟動(dòng)時(shí)間。轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)多用于重載啟動(dòng)。

(4)脈沖沖擊啟動(dòng):如圖4所示，該啟動(dòng)方式在開始階段，讓晶閘管在極短時(shí)間內(nèi)，以較大電流導(dǎo)通一段時(shí)間后回落，再按照原設(shè)定值線性上升連入恒流啟動(dòng)。脈沖沖擊啟動(dòng)適用于重載并需克服較大的靜摩擦，因此一般情況較少使用。

圖3 轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)

圖4 脈沖沖擊啟動(dòng)

3．2 軟啟動(dòng)技術(shù)的介紹

(1)液阻軟啟動(dòng):液態(tài)電阻是一種由堿性水溶液配置的電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)為離子導(dǎo)電。液阻的阻值正比于相對(duì)的兩塊電極板的距離，反比與電解液的電導(dǎo)率。可以利用液態(tài)電阻具有的熱容量大和負(fù)溫度特性，在通電后，阻值呈線性減小，對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、無級(jí)、無沖擊的降壓軟起動(dòng)。液阻軟啟動(dòng)技術(shù)與其他軟啟動(dòng)技術(shù)相比成本最低且不會(huì)產(chǎn)生高次諧波，但是其應(yīng)用也有限制性。如液態(tài)軟啟動(dòng)裝置的穩(wěn)定性較差，一次啟動(dòng)完成后電解液的溫度要降低到一定值后才可以再次啟動(dòng)，因此不適用于較為頻繁的啟動(dòng)。此外液阻軟啟動(dòng)速度慢，需要維護(hù)，難以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)的多樣化。

(2)電抗器軟啟動(dòng):可變電抗器軟啟動(dòng)是利用電磁轉(zhuǎn)換原理，通過電力電子器件實(shí)現(xiàn)電抗器阻抗的無級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié)，具有良好的啟動(dòng)性能。該啟動(dòng)方式串電抗器降壓啟動(dòng)無需外加勵(lì)磁電源，不直接消耗有功功率，因此具有較好的節(jié)能效果。飽和電抗器軟啟動(dòng)則是通過改變電抗器的飽和度，從而實(shí)現(xiàn)電阻器阻抗的平滑連續(xù)調(diào)節(jié)。相比于可變電抗器的成本要經(jīng)濟(jì)，但是磁路飽和以后的漏磁較大，磁芯發(fā)熱較大。電抗器軟啟動(dòng)為一級(jí)降壓軟啟動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)恒流軟啟動(dòng)，負(fù)載個(gè)性的適應(yīng)性差，易損壞。

(3)磁控軟啟動(dòng):磁控軟啟動(dòng)是從電抗器軟啟動(dòng)中衍生出來的。磁控軟啟動(dòng)與電抗器軟啟動(dòng)的不同之處在于電抗值是可以控制的。磁控軟啟動(dòng)是通過控制直流勵(lì)磁電流，改變鐵芯的飽和度來改變電抗值的。該啟動(dòng)方式快速調(diào)節(jié)性較好，閉環(huán)控制，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，過載能力強(qiáng)，無二次沖擊電流。但它在啟動(dòng)時(shí)仍存在一次沖擊電流，一般不能頻繁啟動(dòng)，且磁控軟啟動(dòng)裝置需要有相對(duì)功率較大的輔助電源，整機(jī)較重，體積較大。

(4)晶閘管軟啟動(dòng):如圖5所示，晶閘管軟啟動(dòng)是應(yīng)用晶閘管相控調(diào)壓的原理，利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，通過改變相控角α來改變加在定子上的電壓均方根值，屬于移相調(diào)壓軟啟動(dòng)技術(shù)。相對(duì)于液態(tài)軟啟動(dòng)裝置而言，通常稱其為固態(tài)軟啟動(dòng)裝置。晶閘管軟啟動(dòng)器是當(dāng)今工程中較為常用的軟啟動(dòng)裝置。晶閘管軟啟動(dòng)器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、維護(hù)量小、菜單豐富、啟動(dòng)重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，雖然價(jià)格較液態(tài)軟啟動(dòng)器價(jià)格高，但是其許多性能也是液阻軟啟動(dòng)所難以實(shí)現(xiàn)的。但是晶閘管軟啟動(dòng)也同樣存在價(jià)位較高、高次諧波較為嚴(yán)重等問題。

圖5 晶閘管軟啟動(dòng)主電路圖

(5)變頻軟啟動(dòng):該啟動(dòng)方式是通過改變電動(dòng)機(jī)的頻率從而改變其啟動(dòng)電壓的降壓啟動(dòng)方式。變頻器作為三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)裝置，具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)動(dòng)可靠等特點(diǎn)，尤其在節(jié)能方面的作用更突出，還能進(jìn)行多段速度自動(dòng)控制。由于它的價(jià)格要貴得多，所以一般用于頻繁調(diào)速的地方。

4 軟啟動(dòng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用

與傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式相比，軟啟動(dòng)具有許多優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):①延長機(jī)器的使用壽命:軟啟動(dòng)的平滑連續(xù)啟動(dòng)方式，避免了對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的沖擊，因此可以延長其使用壽命;②提高加速與減速特性:可以通過選擇不同的啟動(dòng)方式來優(yōu)化設(shè)備的特性曲線。如可以選擇電壓斜坡或者限流啟動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷特性曲線的優(yōu)化配置;③提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性:使用數(shù)字化信號(hào)處理技術(shù)，避免了傳統(tǒng)啟動(dòng)形式下過多調(diào)整模擬線路的情況;④實(shí)現(xiàn)功能的全面保護(hù)，如具備過載保護(hù)功能與操作故障保護(hù)等。

軟啟動(dòng)技術(shù)因具有功能全面，工作穩(wěn)定及性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此其廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載和速度變化情況，軟啟動(dòng)技術(shù)常用于以下設(shè)備:①負(fù)載變化較大且不允許速度變化的設(shè)備，如水泥皮帶傳送機(jī)及港口帶式輸送機(jī)等;②變負(fù)載設(shè)備，如中央空調(diào)主機(jī)、拋光機(jī)及紡織設(shè)備等;③軟啟動(dòng)器與PC結(jié)合組成復(fù)合功能，如大樓消防及噴淋系統(tǒng)等。

5 軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展展望

從短期來看軟起動(dòng)器將仍然以各種形式的降壓和限流軟起動(dòng)為主要形式。在電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的控制算法方面，可以將其與模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和基于專家系統(tǒng)控制技術(shù)等智能型控制技術(shù)相融合。在控制方式上，可以突破電流、電壓和轉(zhuǎn)矩等傳統(tǒng)手段，多采用轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)角等新型控制方法。在操作使用上引入人工智能控制技術(shù)，從而在信號(hào)處理、模式識(shí)別、故障的診斷與預(yù)報(bào)、系統(tǒng)識(shí)別與控制等方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。從遠(yuǎn)期來看，變頻器除了可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)器的全部功能外還有其他功能，今后變頻器的成本進(jìn)一步下降后有可能取代軟啟動(dòng)器而成為主流。

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Soft Starting Technology of AC M otor

HAO Shu-rong
(Liaoning Design and Research Institute ofWater and Power Survey，Shenyang 110003，China)

The paper presents the soft starting technology of AC moter，incluaing the principle，sort and starting form．Reliability and security of several the soft starting techrologies and traditional starting technologies and impact to the electric netwook are compared．Analyzesmerits and demerits of the soft starting technology．Application and development of the soft starting technology of ACmotor are explained．

soft starting technology;ACmotor;principle;form

TM 34

B

1004－289X(2013)03－0013－03

2013－05－10