淺析異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)

蒙江洪

【摘 要】異步電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制維護(hù)方便、性能穩(wěn)定、效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。文章對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)現(xiàn)狀、原理、特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析，并對(duì)其發(fā)展的方向進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】異步電動(dòng)機(jī)；軟啟動(dòng)；現(xiàn)狀；特點(diǎn)；原理；發(fā)展

【中圖分類號(hào)】TM343 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）04-0040-03

作為重要的動(dòng)力裝置，電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通領(lǐng)域。直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在過去一直占據(jù)統(tǒng)治的地位，但由于其自身結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法適應(yīng)迅速發(fā)展的時(shí)代的需求，尤其是換向器的機(jī)械強(qiáng)度不足，電刷容易被磨損等。在這一基礎(chǔ)上，交流電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。相對(duì)傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，價(jià)位較低，更加的堅(jiān)固耐用，慣量較小，運(yùn)行可靠，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

1 軟啟動(dòng)的現(xiàn)狀分析

隨著時(shí)代的發(fā)展，直流電動(dòng)機(jī)逐漸退出歷史舞臺(tái)，交流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，但是異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程中卻存在著一些弊端無(wú)法克服。在交流轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)速由零開始迅速上升，直到達(dá)到穩(wěn)定的過程，如果在這個(gè)過程中不采用任何的設(shè)備裝置，直接加額定電壓到定子繞組啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)的啟動(dòng)電流可以達(dá)到額定電流的48倍，轉(zhuǎn)速也能在短時(shí)間內(nèi)由零上升到額定的轉(zhuǎn)速。而三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，轉(zhuǎn)矩的沖擊非常大，可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2倍以上。過大的電流將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)受到嚴(yán)重的沖擊，造成電壓降落，降低電網(wǎng)的電能質(zhì)量，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩過大也將導(dǎo)致機(jī)械應(yīng)力沖擊，縮短電機(jī)本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命，因此在一般情況下，力求在較小的啟動(dòng)電流下，獲得足夠的轉(zhuǎn)矩即可。這就要求選擇最佳的啟動(dòng)方式，要根據(jù)環(huán)境、設(shè)備、技術(shù)工藝水平來(lái)決定。本文以三相異步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析。

根據(jù)其自身的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，可以采用定子串接電抗器啟動(dòng)、Y—△啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、延邊三角形啟動(dòng)等方式。繞線式的交流電動(dòng)機(jī)一般主要采用轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器啟動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)啟動(dòng)的方法。但這些啟動(dòng)程序存在著一定的不足，有待進(jìn)一步完善。

（1）定子串接電阻啟動(dòng)的能耗較大。主要原因是由于其外接電阻，造成有功損耗增加，尤其是對(duì)中型、大型異步電動(dòng)機(jī)而言，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用較高，所以其應(yīng)用不夠廣泛，主要應(yīng)用于空載和輕載中。

（2）Y—△啟動(dòng)存在著一定的難度。相較于其他方式，其操作簡(jiǎn)單，僅需一個(gè)Y—△開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，但是需要將電動(dòng)機(jī)的定子繞組6個(gè)出線端全部引出來(lái)，這對(duì)高電壓的電動(dòng)機(jī)存在著一定的難度，因此主要應(yīng)用于△接法380 V電動(dòng)機(jī)。

（3）自耦變壓器啟動(dòng)價(jià)位高。相較于其他的啟動(dòng)方式，自耦變壓器在啟動(dòng)電流相同時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩?fù)p失非常小，而且相對(duì)其抽頭也更加靈活，在符合特定條件的前提下，其可以拖動(dòng)較大的負(fù)載啟動(dòng)，其缺點(diǎn)是價(jià)位高、體積大，無(wú)法負(fù)責(zé)重負(fù)載的啟動(dòng)。

（4）延邊三角形啟動(dòng)需要專門的設(shè)計(jì)。采用延邊三角形啟動(dòng)方式，繞組切換非常簡(jiǎn)單，不需要專門的啟動(dòng)裝置，但是，電動(dòng)機(jī)的定子繞組不但為△接，同時(shí)還有抽頭，需要進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)，在完成后不可任意的變動(dòng)，造成工作的不便。

近年來(lái)，我國(guó)的電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，尤其是集成電路、微機(jī)處理技術(shù)等新一代電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，大大改善了異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)中的電流過高、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小的問題，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的發(fā)展。進(jìn)入20世紀(jì)70年代，利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)生產(chǎn)制作的軟啟動(dòng)器迅速推廣應(yīng)用，同時(shí)采用微控制器代替模擬控制電路，推動(dòng)了現(xiàn)代的電子軟啟動(dòng)器的快速發(fā)展。

2 軟啟動(dòng)的基本原理

軟啟動(dòng)是指運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟啟動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至啟動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓的啟動(dòng)方法。軟啟動(dòng)器是一種集電機(jī)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。它的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路，通過運(yùn)用不同的方法，控制三相反向并聯(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，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。軟啟動(dòng)的基本原理如圖1所示。

3 軟啟動(dòng)器運(yùn)行特點(diǎn)

3.1 斜坡恒流軟啟動(dòng)

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器輸出電壓從零迅速增加，直到輸出電流上升到設(shè)定的限流值Iq，在輸出電流不大于Iq的情況下，電壓逐漸上升，電機(jī)加速，直到啟動(dòng)完成。如圖2所示，Iq可調(diào)，Ie為電機(jī)額定電流。此方式的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，且可按需要調(diào)整，對(duì)電網(wǎng)影響小。缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)難以知道啟動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間；損失啟動(dòng)力矩，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。

3.2 斜坡升壓軟啟動(dòng)

斜坡升壓軟啟動(dòng)指輸出電壓按預(yù)先設(shè)定的斜坡線性上升，即電壓由小到大斜坡線性上升。它是將傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)從有級(jí)變成了無(wú)級(jí)，主要用在重載啟動(dòng)。它的缺點(diǎn)是初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線性上升對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)不利，且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)對(duì)電動(dòng)機(jī)不利（如圖3所示）。

3.3 階躍啟動(dòng)

階躍啟動(dòng)主要是用在重載啟動(dòng)，不同的是在啟動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短啟動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷，應(yīng)用時(shí)要特別注意（如圖4所示）。

4 軟啟動(dòng)器的控制接線

以英杰電氣有限公司的KRQS系列為例。

4.1 KRQS110/P型軟啟動(dòng)器基本接線示意圖

KRQS110/P型軟啟動(dòng)器基本接線示意圖如圖5所示。

4.2 KRQS110/P型軟啟動(dòng)器基本接線原理圖

KRQS110/P型軟啟動(dòng)器基本接線原理圖如圖6所示。

5 軟啟動(dòng)的特征優(yōu)勢(shì)分析

相較于傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)器，電子軟啟動(dòng)主要有以下幾個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

5.1 實(shí)現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)

采用電力半導(dǎo)體開關(guān)進(jìn)行電子軟啟動(dòng)開關(guān)的設(shè)置，其最大的優(yōu)勢(shì)是無(wú)電弧開關(guān)和電流具有連續(xù)性，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，相較于傳統(tǒng)的分檔調(diào)節(jié)，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

5.2 產(chǎn)生的沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流小

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)是通過增大晶閘管的導(dǎo)通角而實(shí)現(xiàn)的，限制電機(jī)啟動(dòng)電流在一個(gè)固定值之內(nèi)，產(chǎn)生的沖擊電流非常小，控制其平滑上升，保護(hù)了傳動(dòng)機(jī)械、設(shè)備和人員。

5.3 提升了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的平穩(wěn)性

軟啟動(dòng)器可以引入電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，保持啟動(dòng)的電流恒定，保持平穩(wěn)啟動(dòng)。

5.4 增強(qiáng)電流的選擇性

可以根據(jù)負(fù)載的不同情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性進(jìn)行選擇，調(diào)整電流的級(jí)別，達(dá)到最佳電流，節(jié)省電能，減少損耗。

5.5 增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)逐漸走進(jìn)各行各業(yè)，大大改善了工作的效率。微機(jī)控制啟動(dòng)程序，在啟動(dòng)前可以對(duì)主回路進(jìn)行故障的診斷，相對(duì)傳統(tǒng)的控制程序更加穩(wěn)定，受到外界因素影響的效率低，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，便于進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)。

5.6 為自動(dòng)化控制奠定良好基礎(chǔ)

采用軟啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)通信的控制，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制奠定了基礎(chǔ)，促進(jìn)了電力系統(tǒng)的發(fā)展。

6 軟啟動(dòng)的發(fā)展方向探析

6.1 近期目標(biāo)

在一段時(shí)間之內(nèi)，軟啟動(dòng)仍將以多種形式的降壓、限流為主要形式。理論上看，性價(jià)比高的產(chǎn)品必將占據(jù)主要的市場(chǎng)空間。但是，根據(jù)使用的具體環(huán)境不同，其對(duì)設(shè)備的需求方向也各有不同，因此只要性價(jià)比好，任何的產(chǎn)品都可能搶占市場(chǎng)。

6.2 長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)

不難看出，變頻軟啟動(dòng)在未來(lái)必然成為軟啟動(dòng)的主流。隨著其不斷地發(fā)展，價(jià)位的降低，可靠性也將得到提高，占據(jù)未來(lái)軟啟動(dòng)市場(chǎng)的必將是具有軟切換功能的低價(jià)變頻器。

7 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們相信異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)必將隨著科學(xué)的進(jìn)步而迅速發(fā)展，推動(dòng)整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)展與完善，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。三相異步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)方式很多。隨著技術(shù)進(jìn)步的加速，各種新的軟啟動(dòng)控制方式也脫穎而出，比較各種軟啟動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可從中選擇出適合特定應(yīng)用場(chǎng)合的最佳軟啟動(dòng)方案。軟啟動(dòng)器作為新一代的工業(yè)控制裝置，以其優(yōu)越的啟動(dòng)性能而廣泛應(yīng)用于冶金、化工、電力、煤炭、水利、輕工等各個(gè)行業(yè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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