高壓繞線電機(jī)軟起動(dòng)及調(diào)速技術(shù)分析

許明圣

(平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467099）

高壓繞線電機(jī)經(jīng)常作為大型機(jī)械，諸如風(fēng)機(jī)、水泵以及起重類機(jī)械的動(dòng)力來(lái)源，在使用過(guò)程中一般會(huì)需要調(diào)速。這種類型的拖動(dòng)系統(tǒng)占到工業(yè)電力拖動(dòng)總量的一半以上， 若在使用過(guò)程中一直采用恒速驅(qū)動(dòng)的方式，則會(huì)導(dǎo)致大量的電能浪費(fèi)。 因此，有必要通過(guò)對(duì)應(yīng)的調(diào)速技術(shù)含量控制設(shè)備使用過(guò)程中的速度，這對(duì)于節(jié)約電能尤為重要。 同時(shí)，對(duì)于那些需要調(diào)速的場(chǎng)合，還會(huì)要求通過(guò)軟起動(dòng)的方式降低電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)造成的沖擊，以達(dá)到減少其對(duì)電網(wǎng)的污染作用。力求通過(guò)對(duì)電機(jī)軟起動(dòng)以及調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用達(dá)到提高電機(jī)工作效率、降低工業(yè)生產(chǎn)成本、減少損耗等作用，以滿足大部分拖動(dòng)機(jī)械的變速要求。

1 高壓繞線電機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)

高壓繞線電機(jī)在采用直接起動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊、大轉(zhuǎn)矩沖擊以及操作過(guò)電壓，尤其是電機(jī)在全壓起動(dòng)過(guò)程中，其產(chǎn)生的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2 倍左右，直接對(duì)電機(jī)的使用壽命與電網(wǎng)穩(wěn)定造成危害。 所以，通常不允許大型電機(jī)直接全壓?jiǎn)?dòng)，而是采用軟起動(dòng)的方式抑制電機(jī)直接起動(dòng)過(guò)程中帶來(lái)的大電流、轉(zhuǎn)矩沖擊。

常用到的繞線電機(jī)軟起動(dòng)方法包括轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)、釘子串電抗器起動(dòng)、星形轉(zhuǎn)三角形轉(zhuǎn)換起動(dòng)、轉(zhuǎn)子串頻敏變阻器起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、磁飽和軟起動(dòng)器、定子側(cè)晶閘管串聯(lián)降壓軟起動(dòng)、定子側(cè)晶閘管串聯(lián)分級(jí)變頻軟起動(dòng)以及變頻器等起動(dòng)方式。

其中，變頻器作為近些年變頻調(diào)速技術(shù)的代表，其工作過(guò)程中，電機(jī)定子電壓與頻率都能夠?qū)崿F(xiàn)從零持續(xù)調(diào)節(jié)，達(dá)到起動(dòng)電流小、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的目的，具有良好的起動(dòng)性能。 這對(duì)于負(fù)載功率大、起動(dòng)載荷重的高壓電機(jī)起動(dòng)尤為重要，但是變頻器的成本價(jià)格較高，而且維修費(fèi)用較高，一般用于重要部分的電力驅(qū)動(dòng)。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展， 在對(duì)應(yīng)控制理論以及電子功率器件的發(fā)展下，高壓繞線電機(jī)的軟起動(dòng)系統(tǒng)逐步趨于智能化。 通常，典型的智能軟起動(dòng)設(shè)備包括主電路、控制系統(tǒng)兩個(gè)主要部分。 其中，主電路一般包括繼電器、電力電子功率器件、交流接觸器以及開(kāi)關(guān)等構(gòu)成。 而且大部分的電力電子功率器件多采用晶閘管，利用晶閘管觸發(fā)角的改變實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)定子電壓的變化，從而對(duì)起動(dòng)電流的大小近些年來(lái)控制，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。 當(dāng)完成起動(dòng)之后，將切換至接觸器，使得晶閘管退出起動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)將自動(dòng)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。 起動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電力電子功率器件觸發(fā)角的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的控制，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)故障警報(bào)、保護(hù)處理以及顯示等功能。

晶閘管軟起動(dòng)器通常采用使得定子電壓逐漸增大， 直到增加至額定電壓的方式，使得電機(jī)得以平滑起動(dòng)，減少了起動(dòng)沖擊電流。 晶閘管軟起動(dòng)器的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、體積較小，而且其輸出電壓能夠持續(xù)可調(diào)，便于對(duì)軟起動(dòng)器中的未處理器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)任意電壓值的輸出。 因?yàn)槲⑻幚砥鞯拇嬖冢沟镁чl管軟起動(dòng)器同時(shí)還包括節(jié)能、保護(hù)等多項(xiàng)功能。 但是，晶閘管軟起動(dòng)器也具有對(duì)應(yīng)的缺點(diǎn)， 其依然屬于降壓起動(dòng)方式，而且由于三相交流繞線電機(jī)定子電壓下降時(shí)，電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩將會(huì)與電壓成平方的方式下降，最終造成了電機(jī)的負(fù)載能力下降的現(xiàn)象，這在一定程度上限制了其應(yīng)用場(chǎng)合，使得其主要用于空載或者輕載起動(dòng)的場(chǎng)合，例如水泵、風(fēng)機(jī)等機(jī)械的拖動(dòng)。

2 高壓繞線電機(jī)調(diào)速技術(shù)

當(dāng)前， 高壓繞線電機(jī)的調(diào)速方法主要包括轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻調(diào)速、變頻調(diào)速、串級(jí)調(diào)速、雙饋調(diào)速等。

2.1 轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速與轉(zhuǎn)子斬波調(diào)阻調(diào)速

該方法就是在繞線電機(jī)的轉(zhuǎn)子上串入附加電阻， 或者改變斬波器的占空比的方式達(dá)到調(diào)速目的。 其中，串入的電阻值越大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速將越低。 該種調(diào)速方法控制簡(jiǎn)單，但是其轉(zhuǎn)差功率都以發(fā)熱的方式消耗，不利于節(jié)能，而且電機(jī)的損耗較大，工作效率較低。

2.2 串級(jí)調(diào)速

串級(jí)調(diào)速就是講繞線電機(jī)的定子接到頻率固定的三相電網(wǎng)中，然后將轉(zhuǎn)子回路串入到幅值可調(diào)的直流電源上，以通過(guò)改變轉(zhuǎn)子回路匯總直流電源復(fù)制的方式改變電機(jī)的轉(zhuǎn)差率，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 在串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，定子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)同步速度恒定不變，其通過(guò)改變轉(zhuǎn)子與定子之間的轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。 但是，其余調(diào)阻調(diào)速原理不同的是轉(zhuǎn)子速度下降之后的轉(zhuǎn)差功率并沒(méi)有完全以熱量的形式消耗掉，而是重新返回至電網(wǎng)被利用，所以該種控制系統(tǒng)的電能利用效率較高，在我國(guó)得以大量應(yīng)用。 一般，在電機(jī)的調(diào)速范圍要求不高的情況下， 調(diào)速系統(tǒng)變頻器容量與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率相當(dāng)，而且變頻器自身的容量可以大、小變化，尤其是在轉(zhuǎn)子電壓較低時(shí)， 整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的成本要遠(yuǎn)低于當(dāng)前的變頻調(diào)速方案。但是，該種方案的公路因數(shù)較低、調(diào)速范圍較小，容易產(chǎn)生高次諧波，從而對(duì)電網(wǎng)形成一定的污染。

2.3 雙饋調(diào)速

若串級(jí)調(diào)速的轉(zhuǎn)子回路通過(guò)變流器產(chǎn)生的三相交流電源是幅值、相位與頻率皆可調(diào)時(shí)，則此時(shí)的串級(jí)調(diào)速為雙饋調(diào)速。在該系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)差功率在經(jīng)過(guò)整流之后將逆變?yōu)榻涣麟娫俜答佒岭娋W(wǎng)。 或者直接將轉(zhuǎn)差公路變流處理自豪和反饋至感應(yīng)電機(jī)。 對(duì)于高壓繞線式電機(jī)，其雙饋調(diào)速效率較高，不但能夠調(diào)節(jié)電機(jī)定子的側(cè)功率因數(shù)至1，而且還可以向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功功率。同時(shí)，因?yàn)殡娏﹄娮幼兞髌髋c轉(zhuǎn)子側(cè)相連，其傳遞的為較小的轉(zhuǎn)差功率，所以可以采用容量很小的變流器，降低了系統(tǒng)成本。另外，利用雙饋調(diào)速方式能夠顯著提高電網(wǎng)的功率因數(shù)，甚至還可以向電網(wǎng)發(fā)送滯后無(wú)功功率。 因此，其廣泛應(yīng)用于高壓大容量繞線式異步電機(jī)的速度控制中，包括風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。

2.4 變頻調(diào)速

變頻調(diào)速技術(shù)時(shí)通過(guò)連續(xù)改變電機(jī)定子電源頻率的方式達(dá)到度電機(jī)轉(zhuǎn)速控制的目的。 雖然該種方式能夠得到持續(xù)平滑的無(wú)極調(diào)速，但是其制造價(jià)格昂貴，因此一般用于重點(diǎn)場(chǎng)合的被拖動(dòng)電機(jī)調(diào)速中。

[1]李凱，陳興林，宋申民.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，40(1)：19-24

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