淺析異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)技術(shù)

張宏達(dá)

(遼陽(yáng)石化分公司尼龍廠電氣車間,遼寧遼陽(yáng) 111003)

淺析異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)技術(shù)

張宏達(dá)

(遼陽(yáng)石化分公司尼龍廠電氣車間,遼寧遼陽(yáng) 111003)

在我國(guó)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的新形勢(shì)下,許多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越多的使用各種電動(dòng)機(jī),用于攪拌器,壓碎機(jī)、水泵、電梯、傳送帶等機(jī)械設(shè)備。受電網(wǎng)容量限制和保護(hù)其他用電設(shè)備正常工作的需要,要在電機(jī)起動(dòng)過程中采取必要的措施。隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,軟起動(dòng)器從生產(chǎn)工藝、使用性能都得到了很大提高,成本不斷降低,逐漸取代了傳統(tǒng)的自耦式、Y—Δ等降壓起動(dòng)方式。比較各種起動(dòng)方法,在目前對(duì)于系統(tǒng)的可靠性、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等的要求不斷提高,采用交流軟起動(dòng)器作為電機(jī)的起動(dòng)設(shè)備,不失為一種既可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式。

異步電動(dòng)機(jī) 降壓起動(dòng) 軟起動(dòng)

1 異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的危害

在我國(guó)工農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的新形勢(shì)下,許多工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來(lái)越多的使用各種電動(dòng)機(jī),用于攪拌器,壓碎機(jī)、水泵、電梯、傳送帶等機(jī)械設(shè)備。但是交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)一直是個(gè)難以解決的問題,這種突然而急劇起動(dòng)造成的經(jīng)濟(jì)損失和各種故障一直困擾著人們。異步電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)可造成以下幾種危害:

(1)引起電網(wǎng)電壓波動(dòng),影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的運(yùn)行。交流電動(dòng)機(jī)在全壓直接起動(dòng)時(shí),起動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的4～7倍,當(dāng)電機(jī)的容量相對(duì)較大時(shí),該起動(dòng)電流會(huì)引起電網(wǎng)電壓的急劇下降,影響同電網(wǎng)其它設(shè)備的正常運(yùn)行。

(2)對(duì)電網(wǎng)的影響。對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:①超大型電機(jī)直接起動(dòng)的大電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊幾乎類似于三相短路對(duì)電網(wǎng)的沖擊,常常會(huì)引發(fā)功率振蕩,使電網(wǎng)失去穩(wěn)定。②起動(dòng)電流中含有大量的高次諧波,會(huì)與電網(wǎng)電路參數(shù)引起高頻諧振,造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作、自動(dòng)控制失靈等故障。

(3)傷害電機(jī)絕緣,降低電機(jī)壽命:①大電流產(chǎn)生的焦耳熱反復(fù)作用于導(dǎo)線外絕緣,使絕緣加速老化、壽命降低。②大電流產(chǎn)生的機(jī)械力使導(dǎo)線相互摩擦,降低絕緣壽命。③高壓開關(guān)合閘時(shí)觸頭的抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)在電機(jī)定子繞組上產(chǎn)生操作過電壓,有時(shí)會(huì)達(dá)到外加電壓的5倍以上,這樣高的過電壓會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成極大傷害。

(4)電動(dòng)力對(duì)電機(jī)的傷害。大電流在電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力,會(huì)造成夾緊松動(dòng)、線圈變形、鼠籠條斷裂等故障。

(5)對(duì)機(jī)械設(shè)備的傷害。全壓直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍,這么大的力矩突然加在靜止的機(jī)械設(shè)備上,會(huì)加速齒輪磨損甚至打齒、加速皮帶磨損甚至拉斷皮帶、加速風(fēng)葉疲勞甚至折斷風(fēng)葉等等。

2 電動(dòng)機(jī)的幾種傳統(tǒng)降壓起動(dòng)的方法

直接起動(dòng)適用于小容量電動(dòng)機(jī)帶輕載的情況,起動(dòng)時(shí),將定子繞組直接接額定電壓的電網(wǎng)上。在此工況下電磁轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流很容易同時(shí)得到滿足。電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)的限制條件:(1)機(jī)械設(shè)備是否允許電機(jī)直接起動(dòng),這是先決條件;(2)直接起動(dòng)時(shí),不允許電機(jī)的容量大于10%～15%主變壓器的容量;(3)起動(dòng)過程中電壓降△U不大于15%Un。對(duì)于額定電壓為380V的電動(dòng)機(jī)而言,當(dāng)容量小于10Kw時(shí),可以直接起動(dòng)。

降壓起動(dòng)適用于容量大于或等于20kW并帶輕載的工況。由于輕載,故電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩很容易滿足負(fù)載要求。主要問題是起動(dòng)電流大,電網(wǎng)難以承受過大的沖擊電流,因此必須降低起動(dòng)電流。常用的傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方法有以下三種:定子串電阻(或電抗)降壓起動(dòng);Y—Δ起動(dòng)器起動(dòng);自耦變壓器起動(dòng)。

2.1 定子串電阻(或電抗)降壓起動(dòng)

在定子繞組中串聯(lián)電抗或電阻都能降低起動(dòng)電流,但串聯(lián)電阻起動(dòng)能耗較大,只用于小容量電動(dòng)機(jī)中。一般都采用定子串電抗降壓起動(dòng),以達(dá)到限制起動(dòng)電流的目的。一旦電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近額定值時(shí),切除串聯(lián)電阻(或電抗),使電動(dòng)機(jī)進(jìn)入全壓正常運(yùn)行。在這種起動(dòng)方式下,若電動(dòng)機(jī)端壓降為電網(wǎng)電壓的1/a,則起動(dòng)電流降為直接起動(dòng)的1/a,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降為直接起動(dòng)的1/a2,比起動(dòng)電流降的更厲害。因此在選擇a值使起動(dòng)電流滿足要求時(shí),還必須校核起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。

2.2 用Y—Δ起動(dòng)器起動(dòng)

三相異步電動(dòng)機(jī)的Y—Δ降壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形,每相繞組承受的電壓為電源的相電壓,減小了起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的影響。而在起動(dòng)后期按預(yù)定的時(shí)間換接成Δ接法,每相繞組承受的電壓為電源的線電壓,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行。由于切換時(shí)轉(zhuǎn)速已接近正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速,沖擊電流就不大了。電網(wǎng)提供的線電流反映了電網(wǎng)受到?jīng)_擊的大小,用Y—Δ起動(dòng)器起動(dòng)時(shí),電網(wǎng)提供的線電流與電動(dòng)機(jī)的相電流相等;而采用Δ接直接起動(dòng)時(shí),電網(wǎng)提供的線電流等于電動(dòng)。起動(dòng)電流降為直接起動(dòng)電流的1/3,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩亦降為直接起動(dòng)時(shí)的1/3。與串電阻(或電抗)起動(dòng)相比,這種起動(dòng)方法性能好些。

2.3 自耦變壓器起動(dòng)

自耦變壓器也稱起動(dòng)補(bǔ)償器。自耦變壓器的初級(jí)和電源相連,次級(jí)與電動(dòng)機(jī)相連。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),定子繞組得到的電壓是自耦變壓器的二次電壓,電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速接近正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速時(shí),自耦變壓器被切除,電動(dòng)機(jī)接入全電壓,繼續(xù)起動(dòng),但此時(shí)電流沖擊已經(jīng)很小。再過一小段時(shí)間,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。在自耦變壓器起動(dòng)過程中,起動(dòng)電流與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的比值按變比平方倍降低;即:電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)電流為全壓直接起動(dòng)的1/a2,a為分接電壓百分比的倒數(shù)。這種起動(dòng)方法常用于容量較大、正常運(yùn)行為星形接法的電動(dòng)機(jī),但自耦變壓器價(jià)格較貴,相對(duì)于電阻結(jié)構(gòu)復(fù)雜,體積龐大,且不允許頻繁操作。

對(duì)于給定的電動(dòng)機(jī)和設(shè)備的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩參數(shù),在設(shè)計(jì)起動(dòng)方式時(shí)要綜合考慮這三種起動(dòng)方式,分別給予校驗(yàn)核準(zhǔn),以選擇合適的起動(dòng)方式。

2.4 軟起動(dòng)技術(shù)

除以上三種降壓起動(dòng)方法之外,還有延邊三角形起動(dòng)以及飽和電抗器起動(dòng)等方法。隨著科技的發(fā)展,更先進(jìn)的軟起動(dòng)器也越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用到了工業(yè)及其他行業(yè)中。它由功率半導(dǎo)體器件和其它電子元器件組成;利用電力電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)將強(qiáng)弱電結(jié)合,其晶閘管移相控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角,使被控電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化,從而實(shí)現(xiàn)不同的起動(dòng)功能。

軟起動(dòng)器的性能特點(diǎn):①限制線路電壓降,降低電流峰值;采用不同的起動(dòng)方式,軟起動(dòng)可以避免起動(dòng)時(shí)的電流沖擊,不會(huì)造成大的電壓降落。如果對(duì)于電源容量不夠的場(chǎng)合,直接起動(dòng)會(huì)造成線路上大的電壓降落和損耗?？梢员ＷC電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定,提高供電設(shè)備的使用壽命,減小對(duì)負(fù)載的沖擊;②根據(jù)負(fù)載不同可以靈活選擇多種起動(dòng)和停止方式;③晶閘管是一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)開關(guān),對(duì)于接旁路接觸器的軟起動(dòng),其使用壽命長(zhǎng),且免維修;④單個(gè)軟起動(dòng)可帶多臺(tái)負(fù)載,從而比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用,這是其他降壓起動(dòng)方式不能實(shí)現(xiàn)的;⑤可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行中設(shè)備的監(jiān)控保護(hù)和快速故障檢測(cè),實(shí)現(xiàn)軟停車,泵停車,制動(dòng)停車以及準(zhǔn)確停車功能;⑥采用微處理器控制,性能可靠,易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和智能化;⑦接線簡(jiǎn)單,維護(hù)方便,體積小。

3 結(jié)語(yǔ)

三相鼠籠式交流異步電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能穩(wěn)定及無(wú)需維護(hù)等特點(diǎn),在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,但由于其在起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生過大的起動(dòng)電流,會(huì)對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備造成沖擊,受電網(wǎng)容量限制和保護(hù)其他用電設(shè)備正常工作的需要,要在電機(jī)起動(dòng)過程中采取必要的措施。隨著電力電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,軟起動(dòng)器從生產(chǎn)工藝、使用性能都得到了很大提高,成本不斷降低,逐漸取代了傳統(tǒng)的自耦式、Y—Δ等降壓起動(dòng)方式。比較各種起動(dòng)方法,在目前對(duì)于系統(tǒng)的可靠性、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等的要求不斷提高,采用交流軟起動(dòng)器作為電機(jī)的起動(dòng)設(shè)備,不失為一種既可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式。

[1]趙汝儉.三相異步電機(jī)Y—Δ起動(dòng)的改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械,2008,29(7)155-156.

[2]鄧龍華.異步電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)控制線路的節(jié)能改進(jìn)方案[J].電工技術(shù),2003,8,36.

[3]辜承林,陳喬夫,熊永前.電機(jī)學(xué)[M].華中科技大學(xué)出版社,248-253.