異步電動(dòng)機(jī)常用起動(dòng)方式的探究

張迪凡 劉 麗 徐高杰

（1 巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動(dòng)化學(xué)院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥華耀電子有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

由于異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，目前已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的使用[1]，與此同時(shí)，起動(dòng)問題也越來越受到人們的關(guān)注，主要是因?yàn)椴缓侠淼钠饎?dòng)方式不僅會(huì)對(duì)電機(jī)本身造成損害，還會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)質(zhì)量，影響其他電網(wǎng)設(shè)備的正常工作。

2 傳統(tǒng)起動(dòng)方式

2.1 全壓起動(dòng)

全壓起動(dòng)是所有起動(dòng)方式中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種，也是其他起動(dòng)方式產(chǎn)生的依據(jù)。全壓起動(dòng)即直接起動(dòng)，是利用接觸器或刀開關(guān)直接將電動(dòng)機(jī)的定子繞組連接到電源線上的一種起動(dòng)方式，電動(dòng)機(jī)和電源線之間無需附加任何起動(dòng)設(shè)備。

該種方式最大的缺陷就是起動(dòng)電流很大，遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小。與電機(jī)的起動(dòng)性能要求即足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以保證電機(jī)可以順利起動(dòng)，并很快起動(dòng)結(jié)束；較小的起動(dòng)電流，以避免電機(jī)發(fā)熱絕緣老化加速，同時(shí)保證電源線上其他用電設(shè)備的正常工作相矛盾。但其操作簡(jiǎn)單，起動(dòng)時(shí)間短，初期投資較低，所以在條件允許的情況下盡量采用全壓起動(dòng)，特別是小容量（7.5KW以下）的籠型電機(jī)。

2.2 降壓起動(dòng)

所謂降壓，即降低電動(dòng)機(jī)的端電壓，以此來達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。根據(jù)所用的降壓設(shè)備的不同，常用的降壓起動(dòng)方式分為以下幾種：

（1）在電源和電動(dòng)機(jī)之間串入降壓設(shè)備，比如電阻（電抗器）、自耦變壓器。串電阻（電抗器）的降壓起動(dòng)實(shí)質(zhì)是電阻（電抗器）的分壓作用，是一種消耗能量型的起動(dòng)方式；大容量的自耦變壓器體積較大，價(jià)格昂貴，維修困難。

（2）通過改變電源與電動(dòng)機(jī)的接線方式實(shí)現(xiàn)降壓，即Y-△起動(dòng)，在電源與電動(dòng)機(jī)之間只需要一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)，要求電機(jī)一般為6端子電機(jī)，在高壓電機(jī)中較少使用。

以上降壓起動(dòng)方式可以使電機(jī)的起動(dòng)電流變小，但是由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)端電壓的平方成正比，因此起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)變得更小，導(dǎo)致重載的電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)可能會(huì)起動(dòng)不起來的現(xiàn)象，所以降壓起動(dòng)常用于輕載或空載的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)中。而且降壓起動(dòng)中電壓的調(diào)節(jié)屬于有極調(diào)節(jié)，起動(dòng)過程是一個(gè)跳躍的、不平滑的過程，可能會(huì)對(duì)電機(jī)造成一定程度的沖擊。

3 軟起動(dòng)方式

“軟起動(dòng)”是相對(duì)于“硬起動(dòng)”而言的，“硬起動(dòng)”過程中起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是跳躍的不連續(xù)的，“軟起動(dòng)”中則是平滑的連續(xù)的。其實(shí)質(zhì)是一個(gè)調(diào)壓器[2]，是對(duì)降壓起動(dòng)的一種改進(jìn)方式。其工作原理是將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管分別串聯(lián)在電動(dòng)機(jī)定子的三相繞組上，利用晶閘管的開關(guān)特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變電源加在定子上的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無極平穩(wěn)起動(dòng)。主回路原理圖如圖1所示。

圖1 軟起動(dòng)控制的主回路原理圖

根據(jù)不同的控制策略，軟起動(dòng)方式主要分為以下幾種：

3.1 斜坡升壓軟起動(dòng)

這是一種電流開環(huán)控制的起動(dòng)方式。根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況，設(shè)定一個(gè)初始電壓U1（和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)），輸出電壓先迅速升至U1，然后按照設(shè)定的速率逐漸升壓，直至升至額定電壓UN（UN=U2）。軟起動(dòng)即根據(jù)此調(diào)節(jié)電壓大小，電壓按照斜坡曲線上升。可針對(duì)不同的電機(jī)，設(shè)定最合適起動(dòng)的電壓斜坡上升曲線。斜坡升壓軟起動(dòng)的示意圖如圖2。

圖2 斜坡升壓軟起動(dòng)示意圖

由于是電流開環(huán)控制，電流沒有限制措施，在電機(jī)起動(dòng)過程中，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，對(duì)晶閘管和電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[3]；同時(shí)，該起動(dòng)方式下，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間較長，對(duì)電機(jī)也不利。

3.2 斜坡恒流軟起動(dòng)

這種起動(dòng)方式是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的初始階段，起動(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，直至起動(dòng)完畢[4]。起動(dòng)過程中，電流上升變化的速率是可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短。該起動(dòng)方式是應(yīng)用最多的起動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的起動(dòng)。

3.3 階躍起動(dòng)

此種方式下，起動(dòng)電流達(dá)到預(yù)定值的過程不是斜坡過程，而是一個(gè)階躍的過程，即以最短的時(shí)間達(dá)到預(yù)定值，使電機(jī)的起動(dòng)時(shí)間縮短。

軟起動(dòng)方式中的后兩類均屬于限流起動(dòng)，限制起動(dòng)電流不超過某一設(shè)定值，輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)定值，然后在保持輸出電流不超過預(yù)定值的條件下，逐漸升高電壓至額定值[5]，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高至額定轉(zhuǎn)速。

傳統(tǒng)的起動(dòng)方式和軟起動(dòng)最大的區(qū)別：前者屬于有極調(diào)節(jié)，不會(huì)產(chǎn)生諧波。后者可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)節(jié)，產(chǎn)生諧波。

不管是傳統(tǒng)的起動(dòng)方式還是以上所講的軟起動(dòng)，都是通過調(diào)節(jié)電壓、限制電流來使電動(dòng)機(jī)達(dá)到一種較好的起動(dòng)性能，對(duì)施加到電動(dòng)機(jī)上的電源頻率沒有任何改變，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)每極磁通不能保持恒定，而是隨著電壓電流的變化而變化，在降壓起動(dòng)過程中，電機(jī)的磁通變?nèi)酰瑳]有充分利用電機(jī)的鐵芯，造成能量浪費(fèi)。

4 變頻起動(dòng)

從起動(dòng)性能來看，變頻起動(dòng)屬于軟起動(dòng)的一種，但是二者又有本質(zhì)的區(qū)別。軟起動(dòng)過程中電機(jī)的鐵芯不能得到充分的利用，節(jié)能效果不佳。而變頻起動(dòng)過程中，不僅需要調(diào)節(jié)電壓的大小，還有對(duì)應(yīng)的頻率調(diào)節(jié)，使電動(dòng)機(jī)每極的磁通保持恒定，電機(jī)鐵芯得到充分的利用。變頻原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，工作的主電路和軟起動(dòng)的結(jié)構(gòu)相同，主要區(qū)別在于控制方式的選擇。根據(jù)不同的控制方式，變頻器的控制方式主要分為交交變頻和交直交變頻兩種形式，如圖3所示。

圖3 變頻原理框圖

交交變頻方式[6]是通過控制相控開關(guān)的導(dǎo)通角和頻率，將三相工頻電源直接轉(zhuǎn)換成所需電壓頻率的電源的控制方式，沒有中間的直流環(huán)節(jié)，變頻效率高，主回路簡(jiǎn)單，不含直流電路及濾波部分，與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易，不足時(shí)輸出的最高頻率上限為電源頻率1/3或1/2，否則輸入到電機(jī)定子側(cè)的電壓諧波含量太大，電機(jī)產(chǎn)生抖動(dòng)，不能工作。因此，這種控制方式在電機(jī)的起動(dòng)階段可以使用。

交直交變頻方式由整流器、濾波部分和逆變器組成，是先把電源線上的交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成直流電，濾波器對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電變成所需頻率和電壓的交流電，施加到電機(jī)的定子側(cè)，做為電機(jī)的電源。該種電路可以實(shí)現(xiàn)輸入電流電壓均為正弦波，輸入功率因數(shù)高，是一種性能較理想的變頻方式。從電路結(jié)構(gòu)上看，存在中間整流濾波環(huán)節(jié)，需要消耗掉一部分功率，故效率比較低。另外，為使其具有再生反饋電能的能力，要求的控制比較復(fù)雜，成本偏高。在對(duì)起動(dòng)性能要求較高、需要調(diào)速的場(chǎng)合可以采用。

綜上，變頻起動(dòng)可以完美地解決軟起動(dòng)問題，但由于價(jià)格昂貴，對(duì)于不需要調(diào)速，僅僅為了解決軟起動(dòng)問題而使用變頻器，是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是一般的企業(yè)所無法接受的，而且當(dāng)變頻設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，一般的企業(yè)技術(shù)人員難以處理。隨著變頻設(shè)備價(jià)格下降，可靠性能進(jìn)一步提高，變頻起動(dòng)將稱為未來的一種主流起動(dòng)方式。

5 小結(jié)

不同的起動(dòng)方式有其不同的適用場(chǎng)合，在實(shí)際的生產(chǎn)當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況和工程上要求達(dá)到的目標(biāo)來選擇適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>

[1] 張愛玲，李嵐，梅麗鳳.電力拖動(dòng)與控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：80.

[2] 龔勛.三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)策略研究與起動(dòng)器裝置設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)，2009：2.

[3] 白麗克孜·尤努斯，古麗巴哈爾·托呼提.淺談三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的性能及應(yīng)用[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（1）：124-126.

[4] 駱寶俊.異步電機(jī)軟起動(dòng)器研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2007：14.

[5] 王家善，邵光慶，唐偉.雙閉環(huán)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，（6）：10-14.

[6] 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：121.