劉華平唐 偉陳方亮王麗君（.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 000 .徐州市國(guó)家南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室徐州 000）

交流電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)的理論分析與應(yīng)用發(fā)展

劉華平1唐 偉2陳方亮1王麗君1
（1.徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院 徐州 221000 2.徐州市國(guó)家南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室徐州 221000）

三相交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備，電動(dòng)機(jī)通常采用直接啟動(dòng)、星形/三角控制啟動(dòng)和自耦變壓器啟動(dòng)。對(duì)于傳統(tǒng)的星/三角和自耦變壓器啟動(dòng)，雖價(jià)格便宜，但通過降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓來降低啟動(dòng)電流，啟動(dòng)過程中存在分步跳躍上升的恒壓?jiǎn)?dòng)。因此，啟動(dòng)過程中存在二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，影響設(shè)備壽命和性能。軟啟動(dòng)器作為一種新型裝置解決了這一系列問題。

交流電動(dòng)機(jī) 軟啟動(dòng) 變頻調(diào)速 晶閘管調(diào)壓

1 軟啟動(dòng)器的概念

軟啟動(dòng)器是在20世紀(jì)70年代末和80年代初投入市場(chǎng)，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)功能于一體的新型電機(jī)控制裝置。軟啟動(dòng)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)閘管及其電子控制電路，將其接入電源和電動(dòng)機(jī)定子之間。使用軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動(dòng)機(jī)逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)，降低啟動(dòng)電流，避免啟動(dòng)過流跳閘。待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，軟啟動(dòng)器自動(dòng)用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長(zhǎng)軟啟動(dòng)器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動(dòng)過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。

原則上，籠型異步電動(dòng)機(jī)在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場(chǎng)合都可適用軟啟動(dòng)器。同時(shí)特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載等需要軟啟動(dòng)與軟停車的場(chǎng)合。同樣對(duì)于變負(fù)載工況、電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于輕載運(yùn)行，只有短時(shí)或瞬間處于重載場(chǎng)合，應(yīng)用不帶旁路接觸器軟啟動(dòng)器則具有輕載節(jié)能的效果。

2 軟啟動(dòng)器與傳動(dòng)啟動(dòng)方式的比較

電機(jī)傳統(tǒng)的減壓?jiǎn)?dòng)方式有直接全壓?jiǎn)?dòng)、星/三角啟動(dòng)、自耦減壓?jiǎn)?dòng)、電抗器啟動(dòng)等。這些啟動(dòng)方式都屬于有級(jí)減壓?jiǎn)?dòng)，存在明顯缺點(diǎn)。

全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)有啟動(dòng)電流大的缺點(diǎn)。一般啟動(dòng)電流為額定電流的4～7倍，部分國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流經(jīng)過實(shí)際測(cè)量高達(dá)額定電流的8～12倍。過大的啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)電機(jī)本身和電網(wǎng)以及其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行造成不利影響，會(huì)在電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生瞬時(shí)的過大轉(zhuǎn)矩，扭曲電機(jī)軸、破換鍵槽、損壞和軸連接的其他設(shè)備，使電機(jī)發(fā)熱影響其壽命，供電線路電壓損失增大，可能使并聯(lián)于同一供電線路上的其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行遭到破壞。

傳統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法是用星/三角啟動(dòng)和自耦降壓?jiǎn)?dòng)，存在啟動(dòng)電流大和二次電流沖擊，無法解決水泵的水錘現(xiàn)象。這些傳統(tǒng)啟動(dòng)器價(jià)格低廉，通過降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓來降低啟動(dòng)電流，啟動(dòng)方式采用分步跳躍上升的恒壓?jiǎn)?dòng)，因此，啟動(dòng)過程中用存在二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，而且接觸器故障多、電動(dòng)機(jī)沖擊電流大、沖擊轉(zhuǎn)矩大、沖擊力矩大、效率低。

軟啟動(dòng)與傳統(tǒng)減壓?jiǎn)?dòng)方式的不同之處主要有三點(diǎn)：（1）無沖擊電流。軟啟動(dòng)器在啟動(dòng)電機(jī)時(shí)，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)啟動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值。（2）恒流啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器可以引入電流閉環(huán)控制，使電機(jī)在啟動(dòng)過程中保持恒流，確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。（3）根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級(jí)調(diào)整至最佳的啟動(dòng)電流。

比較異步電機(jī)的各種啟動(dòng)方式，如圖1所示。

由圖1可以看出：當(dāng)電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊最大，沖擊時(shí)間也最長(zhǎng)；而通常使用的降壓?jiǎn)?dòng)也就是硬啟動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊雖比較小，但是由于涉及到線圈電壓切換過程，所以出現(xiàn)二次沖擊的不利環(huán)節(jié)；軟啟動(dòng)由于在啟動(dòng)前設(shè)定了一個(gè)不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響的啟動(dòng)電流，電流緩慢增大至設(shè)定電流，故無沖擊電流，對(duì)電流的影響最小，并且能消除啟動(dòng)力矩的沖擊。

3 幾種軟啟動(dòng)方式

當(dāng)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，由電子電路控制晶閘管的導(dǎo)通角使得電機(jī)的端電壓以設(shè)定的速度逐漸升高，一直升到全電壓，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動(dòng)到控制電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的過程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成并達(dá)到額定電壓時(shí)，使三相旁路接觸器閉合，電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行。如果是輕載，則在正常運(yùn)行時(shí)，也保持所需的較低端電壓，使電機(jī)的功率因素升高，效率增大。在電機(jī)停機(jī)時(shí)，也通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)端電壓慢慢降低至0，從而實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)。

圖1 異步電機(jī)的各種啟動(dòng)方式圖

圖2 不限流軟啟動(dòng)圖

圖3 階躍恒流軟啟動(dòng)

圖4 小斜率軟啟動(dòng)圖

圖5 恒流軟啟動(dòng)

3.1 軟啟動(dòng)的特性

啟動(dòng)電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，對(duì)電網(wǎng)無沖擊；啟動(dòng)過程中引入電流負(fù)反饋，啟動(dòng)電流上升至設(shè)定值后，使電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)；不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，由于軟啟動(dòng)以電流為設(shè)定值，電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，通過增減晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，仍可維持啟動(dòng)電流恒值，保證電機(jī)正常啟動(dòng)；針對(duì)不同負(fù)載對(duì)電機(jī)的要求，可以無級(jí)調(diào)整啟動(dòng)電流設(shè)定值，改變電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最佳啟動(dòng)時(shí)間控制。3.2軟啟動(dòng)的類型

3.2.1 不限流軟啟動(dòng)（如圖2）

這種啟動(dòng)方式最簡(jiǎn)單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時(shí)間成一定函數(shù)關(guān)系增加。在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流以某一定值的斜率不斷上升，直至啟動(dòng)完畢，期間對(duì)啟動(dòng)電流不加任何調(diào)整和限制。不限流軟啟動(dòng)方式因?yàn)闆]有對(duì)啟動(dòng)電流進(jìn)行限制，有時(shí)要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對(duì)電網(wǎng)影響較大，實(shí)際很少應(yīng)用，適應(yīng)重載啟動(dòng)場(chǎng)合。

3.2.2 階躍恒流軟啟動(dòng)（如圖3）

階躍恒流軟啟動(dòng)一開始在極短的時(shí)間里，使晶閘管接近于全導(dǎo)通，然后恢復(fù)至較小導(dǎo)通角，進(jìn)行正常的恒流軟啟動(dòng)。啟動(dòng)時(shí)靜摩擦力矩較大的場(chǎng)合比較適用。

脈沖沖擊啟動(dòng)：在啟動(dòng)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)間后回路，再按原設(shè)定值線性上升，連入恒流啟動(dòng)。該啟動(dòng)方式在一般負(fù)載中較少應(yīng)用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動(dòng)場(chǎng)合。

通過調(diào)節(jié)啟動(dòng)電流設(shè)定值，可以達(dá)到快速啟動(dòng)效果。3.2.3小斜率軟啟動(dòng)（如圖4）。

這種啟動(dòng)的特點(diǎn)是電流上升速率緩慢，變化率小。適用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度變化敏感的場(chǎng)合，如小張力繞線機(jī)構(gòu)。

3.2.4 恒流軟啟動(dòng)（如圖5）

啟動(dòng)時(shí)，電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，其后維持恒定，直至啟動(dòng)結(jié)束。絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合適用。

這種啟動(dòng)方式在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的初始階段啟動(dòng)電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定，直至啟動(dòng)完畢。啟動(dòng)過程中，電流上升變化的速度可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)時(shí)間短。該啟動(dòng)方式是應(yīng)用最多的啟動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載啟動(dòng)。

4 軟啟動(dòng)的發(fā)展

現(xiàn)代軟啟動(dòng)器主要有變頻調(diào)速及晶閘管調(diào)壓?jiǎn)?dòng)器兩種軟啟動(dòng)器方式。采用變頻器控制的電動(dòng)機(jī)具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，在低速時(shí)也可以任意調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩高達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%，它可以恒轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)電流可限制在額定電流的150%以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)自由停車、軟停車、泵停機(jī)、直流制動(dòng)，滿足有特殊要求的電動(dòng)機(jī)控制，是未來發(fā)展的方向