三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)

楊勇

摘 要：文章在對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的啟動(dòng)原理及啟動(dòng)特性進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)原理及輸出特性做了闡述，說(shuō)明了軟啟動(dòng)技術(shù)的的優(yōu)越性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；軟啟動(dòng)；晶閘管

1 概述

電動(dòng)機(jī)作為重要的動(dòng)力裝置，已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事設(shè)施以及日常生活中。直流電動(dòng)機(jī)其調(diào)速在過(guò)去一直占統(tǒng)治地位，但由于本身結(jié)構(gòu)原因，例如，換向器的機(jī)械強(qiáng)度不高，電刷易于磨損等，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)向高速大容量化發(fā)展的要求。而交流電動(dòng)機(jī)，特別是三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉，而且堅(jiān)固耐用，慣量小，運(yùn)行可靠等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了極廣泛的應(yīng)用，也正在發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)相比存在許多優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)異步電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中又有許多弊病。所謂起動(dòng)過(guò)程是在交流傳動(dòng)系統(tǒng)中，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)投入電網(wǎng)時(shí)，其轉(zhuǎn)速由零開(kāi)始上升，轉(zhuǎn)速升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的全過(guò)程。如不采用任何起動(dòng)裝置的情況下，直接加額定電壓到定子繞組起動(dòng)電動(dòng)機(jī)時(shí)，電機(jī)的起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的4～8倍，其轉(zhuǎn)速也在很短時(shí)間內(nèi)由零上升到額定轉(zhuǎn)速。同時(shí)三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩沖擊較大，一般可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的兩倍以上。起動(dòng)時(shí)過(guò)高的電流一方面會(huì)造成嚴(yán)重的電網(wǎng)沖擊，給電網(wǎng)造成過(guò)大的電壓降落，降低電網(wǎng)電能質(zhì)量并影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行。而過(guò)大的轉(zhuǎn)矩沖擊又將造成機(jī)械應(yīng)力沖擊，影響電動(dòng)機(jī)本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命。因此，通常總是力求在較小的起動(dòng)起動(dòng)電流下得到足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，為此就要選擇合適的起動(dòng)方法。隨著電力技術(shù)（尤其是集成電路、微處理器以及新一代電力電子器件）的不斷發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的起動(dòng)電流過(guò)高，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)小等問(wèn)題得到了很好的解決。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始推廣利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)制作的軟起動(dòng)器，以及采用微控制器代替模擬控制電路，發(fā)展成為現(xiàn)代的電子軟起動(dòng)器。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)啟動(dòng)方式

對(duì)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流的限制，通常有定子串接電抗器起動(dòng)、Y-△起動(dòng)、自藕變壓器將壓起動(dòng)。而對(duì)繞線式交流電動(dòng)機(jī)，常采用轉(zhuǎn)子串接頻敏變阻器起動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻分級(jí)起動(dòng)。

2.1 鼠籠式轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式

鼠籠式轉(zhuǎn)子是在三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽中安放銅條，兩側(cè)分別用銅環(huán)將銅條端部短路；或者由鑄鋁一次澆筑而成鼠籠狀結(jié)構(gòu)，故稱鼠籠式轉(zhuǎn)子。由于鼠籠式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)法形成開(kāi)路狀態(tài)，所以在轉(zhuǎn)子回路中無(wú)法串入電阻，只能從定子回路入手采取措施改善電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能。

2.1.1 定子回路串電阻或電抗器啟動(dòng)

在電動(dòng)機(jī)定子回路中串入電阻或電抗器，分擔(dān)部分電壓，降低電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電壓，從而降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。

2.1.2 星——角啟動(dòng)

適用于定子繞組三角接法電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)將定子繞組星接，啟動(dòng)完畢改為角接。該方法使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電壓降低為額定運(yùn)行時(shí)電壓的1/■，從而降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。

2.1.3 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)

自耦變壓器實(shí)為降壓變壓器，將自耦變壓器一次繞組接電源，二次繞組接電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端，降低電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電壓，從而降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流。

2.1.4 鼠籠式轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

以上所述傳統(tǒng)的鼠籠式轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式均屬于降壓?jiǎn)?dòng)范疇，即通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電壓來(lái)達(dá)到降低啟動(dòng)電流的目的。由于三相異步電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端電壓的平方成正比例關(guān)系，上述方法在達(dá)到降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的目的同時(shí)，損失了大部分的輸出轉(zhuǎn)矩。所以該方法具有局限性，只適用于空載啟動(dòng)或輕載啟動(dòng)。

2.2 繞線式轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式

繞線式轉(zhuǎn)子是在三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子槽中安放繞組，三相繞組一端短路，另一端分別連接轉(zhuǎn)子軸上的滑環(huán)，滑環(huán)通過(guò)電刷連接外電路并可以短接。這樣即可以在繞線式轉(zhuǎn)子回路中串入電阻。

2.2.1 轉(zhuǎn)子回路串電阻啟動(dòng)

在繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入對(duì)稱電阻，降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流。啟動(dòng)過(guò)程中，分級(jí)切除對(duì)稱電阻，從而保證電動(dòng)機(jī)足夠的輸出轉(zhuǎn)矩。

2.2.2 轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器啟動(dòng)

頻敏變阻器是阻值可以根據(jù)轉(zhuǎn)子電頻率變化而變化的可變電阻，將頻敏變阻器串入繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中，啟動(dòng)初始階段轉(zhuǎn)子電頻率高，頻敏變阻器阻值高，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的逐漸提高，轉(zhuǎn)子電頻率逐漸降低，頻敏變阻器阻值隨之降低，這樣既降低了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，還可以平滑地切除電阻。

2.2.3 繞線式轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式下電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩

三相異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子電流的有功分量成正比例關(guān)系，繞線式三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子回路中串入對(duì)稱電阻，降低了啟動(dòng)電流，但是由于功率因數(shù)提高了，不但沒(méi)有降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，反而提升了啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。該方法適用于重載啟動(dòng)，較比鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能更為優(yōu)良。

3 軟啟動(dòng)

軟啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不接入工作全電壓或采用其他手段使電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流降低，從而使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的方式。軟啟動(dòng)器可分為磁控式與電子式兩種，磁控式軟啟動(dòng)器現(xiàn)已被先進(jìn)的電子式軟啟動(dòng)器取代。

3.1 晶閘管軟啟動(dòng)控制原理

將晶閘管軟啟動(dòng)控制器串接于電源與被控電機(jī)之間，通過(guò)控制三對(duì)反向并聯(lián)晶閘管導(dǎo)通角使軟啟動(dòng)控制器輸出電壓由零平穩(wěn)增加至三相異步電動(dòng)機(jī)額定工作電壓，從而將電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流控制在設(shè)定值范圍內(nèi)，達(dá)到使電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的控制目的。

3.2 軟啟動(dòng)優(yōu)點(diǎn)

（1）大大降低了電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)供電網(wǎng)的沖擊電流，降低了供電網(wǎng)電壓的下跌幅度，使電網(wǎng)供電電壓相對(duì)穩(wěn)定，減少了因電網(wǎng)電壓下跌過(guò)大導(dǎo)致的安全生產(chǎn)事故。（2）降低了電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的發(fā)熱量，避免了電動(dòng)機(jī)繞組絕緣過(guò)早的老化和損傷。（3）設(shè)備啟動(dòng)平穩(wěn)，降低了沖擊轉(zhuǎn)矩，保護(hù)了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。（4）與傳統(tǒng)的直接啟動(dòng)相比，節(jié)能大約15%左右，體現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性。（5）可以采用微機(jī)控制，可在起動(dòng)前對(duì)主回路進(jìn)行故障診斷，且數(shù)字化的控制具有較穩(wěn)定的靜態(tài)特性，不易受溫度、電源電壓及時(shí)間變化等因素的影響，因此提高了系統(tǒng)的可靠性，有助于系統(tǒng)維護(hù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

軟起動(dòng)將仍然以各種形式的降壓（限流）軟起動(dòng)為它的主要形式。從理論上說(shuō)，性能價(jià)格比高的產(chǎn)品將占有更大的市場(chǎng)份額.但是，在各種應(yīng)用場(chǎng)合，人們對(duì)于各種性能的側(cè)重面不同，使各類起動(dòng)產(chǎn)品（包括傳統(tǒng)的星三角起動(dòng)）都可能會(huì)贏得自己的市場(chǎng)。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看變頻軟起動(dòng)將成為軟起動(dòng)的主流。各種形式的降壓軟起動(dòng)將與星三角起動(dòng)等技術(shù)一起歸并為傳統(tǒng)的起動(dòng)技術(shù)。隨著變頻器價(jià)格的逐漸下降，可靠性的進(jìn)一步提高，未來(lái)成為主流產(chǎn)品的軟起動(dòng)裝置將是帶有軟切換功能的廉價(jià)的變頻器。

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