浅析电动机软启动技术

2011-05-14徐凯

中国新技术新产品 2011年7期

关键词：互感器变频器电动机

徐凯

（深圳妈湾电力有限公司检修部，广东深圳 518000）

引言

通常电动机的启动方式有两种：一种是在额定电压下的直接启动，又被称为硬启动；另一种是降低电机的启动电压或电流的起动，也被称为软启动。为了减少对电网的冲击，中、大功率的电动机一般都不允许直接启动。

降压起动先后经过了两个发展阶段，一是采用“Y一△”接线起动和自藕降压启动器，二是引进电力电子技术，用软启动器、变频器等设备启动电机。第二种方式能从零开始，线性平滑地增加电压，不但减少了对电网的冲击，也减少了对电机的冲击。

一、电力电子软启动器的原理和性能

交流电源每相由两支SCR反并联连接在线路中，通过SCR导通角的改变，从而改变软启动器输出三相电压(u，V，w)的大小，而其频率仍为5O Hz。它是接在三相交流电源与三相交流电动机之间的电力电子装置。

2.电机电力电子软启动的技术性能主要包括：一是根据电机的硬性特性的要求，可分别独立设定电机的软启动、软停机时间；二是实现运行过程中的功率因数自动追踪调节功能，使cosФoc1，sinqФoc0；三是适用主回路电压：三相220—6 900 VAC 50/60H2自动选择相序自动检测；四是一次系统的电压和电流及功率因数的控制是采用数字脉冲，二次控制系统为集成数字控制设备，耗电低。

3.电机电力电子软启动的起动方式：根据电机不同负载的要求电子软启动器一般都具备以下三种起动方式：电压控制启动方式、限流启动方式、转矩加脉冲突跳启动方式。

4.电机电子软启动系统运行方式分为：节能运行方式、全压运行方式、接触器旁路运行方式。

二、变频技术与电机的软启动

1.变频调速技术是在电机供电电源与电机定子间加入一个可改变电机供电电源频率的变流装置，将5OHz工频交流电源变为频率、电压可调的交流电源，通过变频器改变输出的交流电的频率的改变实现对电机旋转磁场的频率进行调整，实现调整电机的转数和转矩。从理论上讲，变频技术可以根据需要实现使电机从0转速一直到任意转速(达到同步转速)，具有良好的控制电机实现软启动的功能。

2.变频器的设计是为了调整控制变频器的输出功率来控制电机的输出功率，使其与负荷要求相匹配，达到合理控制电机功率输出，减少能源消耗的目的。变频器主要是用于调整电机频率的节能设备，不是用于电机软启动的最佳设备。

3.另外由于通过变频器的功率，是供给电机的全部功率，该设备所承受的电压是电机所承受的电网电压，这就带来几个方面的问题：一是变频器自身装置庞大、复杂，造价高，维护费用很高；二是产生的对电网的谐波及对电机的谐波大，所以需要加入各种抑制谐波的装置；三是自身功耗大，运行条件苛刻，须加防尘及散热设施，增加了电耗和运行维护量。

煤矿高温的危害主要是降低劳动者的劳动效率，致使劳动者意志恍惚，从而造成煤矿人为事故。众所周知，人处于高温环境中会感觉不适，易烦躁。在高温环境中工作易发生中暑现象，严重威胁煤矿工人的安全。随着煤矿工人劳动效率的下降，致使煤矿的掘进工作放慢，造成接替紊乱，不能有效地保证煤矿的安全、高效开釆，给煤矿企业带来严重的经济损失。

4.从技术上讲，通过改变电机电源的频率来改变电机的转数和转矩，实现电机软启动，是电机软启动技术的一个革命，也是今后的发展方向。

三、串级调速技术与电机的软启动

1.串级调速技术是用于绕线式电机十分经典的电机调速方法，是通过串在电机转子回路中的调速装置控制电机的转子电流，从而改变电机的转差率进行调节电机的转速和转矩，具有实现电机的节能控制和软启动的技术优势。

2.串级调速具有以控制低电压进而控制高压电机，以控制小功率进而控制大功率电机，且系统具有结构简单，节电率高、造价低等特点.与变频器相比：一是变流装置(串级调速装置)中的电力半导体器件承压仅为几百伏，最高不超过1.5kV，比变频器低得多；二是变流装置控制功率仅为电机额定功率的15%左右，自身功耗不到电机额定功率的l% ；节电率比变频高出2—5个百分点；四是一般无须加滤波装置，系统结构简单，控制容易，本身造价低，维护简单，费用少。

3.由于大多数泵、风机类需要低同步转速调速(由额定转速下调)的应用特别适合.特别对高压大容量电机更有技术实现容易和经济性好的优势。

4.串级调速技术主要是针对绕线式电机，因为绕线式电机有滑环、碳刷的维护工作，在应用上与鼠笼式电机相比要受到一定的限制，但相比变频器的空调防尘及装置等的维护量要小，总的建设费用和维护费用要低于变频器本身的价格。随着串级调速技术的应用和进一步推广，串级调速综合技术经济优势将会逐渐显露出来。

四：电子软起动器起动电机的一个实例

对于一个负荷，它的电阻值一定，加低电压时，通过的电流较小；加高电压时，通过的电流较大。我厂选用的是ABB软启动器。在其控制面板上有要设定三个参数：详见图2图3图4

设定启动曲线开始电压水平以及停止曲线

图2

图3

图2设定启动时电压提升的时间，即从初始电压提升到额定电压所需的时间。可调范围为1-30秒。

图3设定停止时电压下降的时间，即从额定电压下降到初始电压所需的时间。可调范围为1-30秒。终止电压水平。

图4

我厂的软启动电气回路接线如下：

图5

先合上QF1、QF2 小开关；按下HJ合闸按钮，软启动开始工作，此时加在电机上的电压为参数Ⅲ的设定电压（一般为40%），此时电机电流也只有额定电流的40%，由电流互感器采集后将电流信号反馈到软启动器，由软启动器里的微电脑根据电流的大小决定是否向上升电压。若电流在正常范围内，则继续升电压，如此反复，会在额定的时间内加到额定电压，完成启动过程；若电流不正常，则电流停留至此不再上升，等参数Ⅰ设定的时间到了，自动返回输出电压为零，启动失败。

从以上启动过程中可以看出，电流互感器的反馈是软启动器判断的依据。在选用电流互感器时，一定要选择大小合适的变比。在最近的2#机空预器改造后，按照常规选用150/2的互感器，当电压加到70%时，就因反馈电流过大，软启动器拒绝上升电压；后来选用200/1变比的互感器才能启动空预器电机。就是因为空预器改造后第一次启动，由于新安装的设备磨合不好，阻力大导致启动转矩大，启动电流大，如仍然选用常规的电流互感器，则会导致反馈电流大，软启动器拒绝继续升电压。事实上，在该空预器运行一段时间后，我们又换上150/2的电流互感器重新启动，启动过程顺利。这也从一个则面证明了软启动器的工作机理。

实践证明，我厂安装的ABB公司的softstar软启动器是较先进的设备，目前我厂的#1#2#3#4机组的空预器电机都是采用此种方式启动。它集成度高，体积小，控制回路接线简单、可靠性高。相比直接启动、前面的星三角变换启动方式，它可非常明显地减小启动转矩，平缓地改变电机的电压，这样对延长电机设备的使用寿命是非常有益的，具体如图6、图7所示：

图6 不同启动方法下的启动转

图7 不同启动方法下启动时的电机电压

六、电动机软起动器的几种起动方式

图8 斜坡升压软起动方式

电机电力电子软启动的起动方式：根据电机不同负载的要求电子软启动器一般都具备以下三种起动方式：电压控制启动方式、限流启动方式、转矩加脉冲突跳启动方式。

1.斜坡升压软起动，见图8。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。

2.斜坡恒流软启动，见图9。这种启动方式是在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定(t1至 t2阶段)，直至起动完毕。启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

3.阶跃起动，见图10.开机，即以最短时间，使启动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。