三相異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)起動(dòng)方式與軟起動(dòng)的研究

于陽

摘 要：軟起動(dòng)是降壓起動(dòng)方式的一種。它通過電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器接于電源與被控電機(jī)之間，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓。石油鉆探中，軟起動(dòng)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的星形-三角形起動(dòng)的方式。

關(guān)鍵詞：軟起動(dòng) 直接起動(dòng) 降壓起動(dòng)

中圖分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（a）-0162-01

三相異步電動(dòng)機(jī)在石油工業(yè)尤其是石油鉆探中應(yīng)用非常廣泛，大到用于配制鉆井液的混合泵電機(jī)，用于剔除有害固相的除砂泵、除泥泵電機(jī)，離心機(jī)，空氣壓縮機(jī)等，小至保持鉆井液流動(dòng)性的攪拌器電機(jī)、補(bǔ)充鉆井液的補(bǔ)給泵電機(jī)等。根據(jù)具體功能，電機(jī)功率、電網(wǎng)容量的不同，它們的起動(dòng)方式也不盡相同，基本可分為兩大類：直接起動(dòng)和降壓起動(dòng)，而石油鉆探中經(jīng)常使用的降壓起動(dòng)方式基本分為星形-三角形（Y-△）換接起動(dòng)和軟起動(dòng)。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式

籠型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有直接起動(dòng)與降壓起動(dòng)兩種。

1.1 直接起動(dòng)

直接起動(dòng)又稱全壓起動(dòng)就是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓的電源上。該方法設(shè)計(jì)簡單，電機(jī)響應(yīng)快，耗時(shí)短，容易維修。但是由于起動(dòng)電流較大，線路電壓下降明顯，常造成電機(jī)無法正常起動(dòng)，甚至?xí)﹄娋W(wǎng)發(fā)生沖擊，影響其他用電設(shè)備。對于二三十千瓦以下的電機(jī)，通常可采用直接起動(dòng)。

1.2 降壓起動(dòng)

降壓起動(dòng)指在起動(dòng)階段降低電機(jī)定子繞組的外部電壓，起動(dòng)結(jié)束后，再將定子繞組端電壓恢復(fù)正常值。這種方法起動(dòng)電流小，不過電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較小，在石油鉆探中籠型電動(dòng)機(jī)的負(fù)載端通常為液壓泵，負(fù)載較輕，所以非常適宜采用降壓起動(dòng)。

1.2.1 星形-三角形（Y-△）換接起動(dòng)

在早期的鉆井隊(duì)中，通常使用星形-三角形降壓起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，這種接法，在起動(dòng)時(shí)定子繞組采用星形連接，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)采用三角形連接。起動(dòng)時(shí)定子繞組連接成星形，相電壓為正常工作電壓的，起動(dòng)電流為直接起動(dòng)時(shí)的。當(dāng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，繞組切換為三角形接法。在控制方面可采用手動(dòng)或者自動(dòng)的方式完成電路的切換。Y-△換接起動(dòng)有效的降低了電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)它還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電機(jī)保持在星形狀態(tài)運(yùn)行，當(dāng)額定轉(zhuǎn)矩與負(fù)載匹配時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率得以提高，同時(shí)還節(jié)省了電力。很多公司生產(chǎn)的離心機(jī)都采用了這樣的設(shè)計(jì)。

1.2.2 軟起動(dòng)

軟起動(dòng)是降壓起動(dòng)方式的一種。它通過電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器接于電源與被控電機(jī)之間，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓。石油鉆探中，軟起動(dòng)已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的星形-三角形起動(dòng)的方式。它在起動(dòng)過程中沖擊電流更小的同時(shí)，還保證了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可調(diào)。在應(yīng)用中一臺軟起動(dòng)器往往可以起動(dòng)兩三臺電機(jī)，這樣的設(shè)計(jì)減少了電氣元件的使用，方便安裝和維修。

2 軟起動(dòng)器在國內(nèi)的發(fā)展

軟起動(dòng)器于20世紀(jì)70年代末和80年代初投入市場，填補(bǔ)了星-三角起動(dòng)器和變頻器在功能實(shí)用性和價(jià)格之間的鴻溝。采用軟起動(dòng)器，可以控制電動(dòng)機(jī)電壓，使其在起動(dòng)過程中逐漸升高，很自然地控制起動(dòng)電流，因此，軟起動(dòng)器在市場上得到廣泛應(yīng)用，并且軟起動(dòng)器所附帶的軟停車功能有效地避免水泵停止時(shí)所產(chǎn)生的“水錘效應(yīng)”。由于中國工業(yè)技術(shù)一直較為落后，變頻器產(chǎn)業(yè)也剛剛起步，國外變頻器的成本較高。而國內(nèi)鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)一般采用直接起動(dòng)，或用自耦、星三角起動(dòng)器起動(dòng)。上世紀(jì)90年代，以單片機(jī)為核心、半導(dǎo)體可控硅為執(zhí)行元件的智能化電機(jī)軟起動(dòng)器進(jìn)入中國市場，并在2000年以后開始加速發(fā)展，目前市場規(guī)模約為20億。

3 軟起動(dòng)器的工作原理

軟起動(dòng)以單片機(jī)作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，用程序軟件自動(dòng)控制整個(gè)起動(dòng)過程。它通過單片機(jī)及相應(yīng)的數(shù)字電路控制晶閘管觸發(fā)脈沖的早晚來改變觸發(fā)角的大小，從而改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，最終改變電動(dòng)機(jī)三相定子繞組的電壓。由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，電流與定子電壓成正比。這樣，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的限制可通過定子電壓的控制來實(shí)現(xiàn)，而定子電壓又是通過可控硅的導(dǎo)通相角來控制，所以不同的初始相角可實(shí)現(xiàn)不同端電壓，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的最大值可根據(jù)負(fù)載而設(shè)定，以滿足不同的負(fù)載起動(dòng)要求。

4 傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)與軟起動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)如直接起動(dòng)方式具有起動(dòng)簡單，造價(jià)低廉，電動(dòng)機(jī)響應(yīng)快等特點(diǎn)，在石油鉆探行業(yè)中他廣泛應(yīng)用20 kW以下的小電機(jī)的起動(dòng)。有些鉆井隊(duì)擁有大功率發(fā)電機(jī)，單獨(dú)的大容量變壓器，這種情況下使用直接啟動(dòng)很方便，也不用電動(dòng)機(jī)對電網(wǎng)的干擾。但是對于其他情況下大功率電機(jī)的起動(dòng)，過高的起動(dòng)電流會(huì)對電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊，造成功率震蕩。同時(shí)起動(dòng)電流里的高次諧波還會(huì)引起繼電器的誤動(dòng)作，自動(dòng)控制失靈等故障。而星形-三角形降壓起動(dòng)的方式，雖然解決了起動(dòng)電流大的問題，但是由于其可靠性較低，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不可控等缺點(diǎn)已逐漸被淘汰。

軟起動(dòng)器起動(dòng)過程的優(yōu)缺點(diǎn)。

主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)。

（1）起動(dòng)電壓為無級調(diào)節(jié)，線性上升，有效避免了起動(dòng)沖擊電流，且起動(dòng)時(shí)間短于傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式。

（2）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩雖然也隨起動(dòng)電流下降而下降，但連續(xù)可調(diào)，對負(fù)載的適應(yīng)范圍明顯增大。

（3）可適應(yīng)頻繁起動(dòng)。一般每小時(shí)起動(dòng)次數(shù)可允許6—0次，且電機(jī)不至于過熱。主回路為無觸點(diǎn)電路，故障率降低，可靠性增強(qiáng)。

主要缺點(diǎn)是：

（1）起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。

（2）價(jià)格相對較高。

隨著變頻器技術(shù)的逐漸成熟，變頻器的價(jià)格不斷降低，變頻器可能會(huì)逐漸取代軟起動(dòng)器，但是我們不能否認(rèn)軟起啟器已經(jīng)并且還會(huì)在未來很長的時(shí)間內(nèi)在電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮很重要的作用。

參考文獻(xiàn)

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