异步电动机常用起动方式的探究

2014-02-26张迪凡徐高杰

巢湖学院学报 2014年3期

关键词：斜坡变频电动机

张迪凡刘丽徐高杰

（1 巢湖学院电子工程与电气自动化学院，安徽巢湖 238000）

（2 合肥华耀电子有限公司，安徽合肥 230000）

1 引言

由于异步电动机的结构简单，易于控制，目前已在工业生产中得到了广泛的使用[1]，与此同时，起动问题也越来越受到人们的关注，主要是因为不合理的起动方式不仅会对电机本身造成损害，还会严重影响电网质量，影响其他电网设备的正常工作。

2 传统起动方式

2.1 全压起动

全压起动是所有起动方式中结构最简单的一种，也是其他起动方式产生的依据。全压起动即直接起动，是利用接触器或刀开关直接将电动机的定子绕组连接到电源线上的一种起动方式，电动机和电源线之间无需附加任何起动设备。

该种方式最大的缺陷就是起动电流很大，远大于电机的额定电流，起动转矩很小。与电机的起动性能要求即足够大的起动转矩，以保证电机可以顺利起动，并很快起动结束；较小的起动电流，以避免电机发热绝缘老化加速，同时保证电源线上其他用电设备的正常工作相矛盾。但其操作简单，起动时间短，初期投资较低，所以在条件允许的情况下尽量采用全压起动，特别是小容量（7.5KW以下）的笼型电机。

2.2 降压起动

所谓降压，即降低电动机的端电压，以此来达到减小起动电流的目的。根据所用的降压设备的不同，常用的降压起动方式分为以下几种：

（1）在电源和电动机之间串入降压设备，比如电阻（电抗器）、自耦变压器。串电阻（电抗器）的降压起动实质是电阻（电抗器）的分压作用，是一种消耗能量型的起动方式；大容量的自耦变压器体积较大，价格昂贵，维修困难。

（2）通过改变电源与电动机的接线方式实现降压，即Y-△起动，在电源与电动机之间只需要一个转换开关，要求电机一般为6端子电机，在高压电机中较少使用。

以上降压起动方式可以使电机的起动电流变小，但是由于起动转矩与电动机端电压的平方成正比，因此起动转矩会变得更小，导致重载的电动机出现可能会起动不起来的现象，所以降压起动常用于轻载或空载的电动机起动中。而且降压起动中电压的调节属于有极调节，起动过程是一个跳跃的、不平滑的过程，可能会对电机造成一定程度的冲击。

3 软起动方式

“软起动”是相对于“硬起动”而言的，“硬起动”过程中起动转矩是跳跃的不连续的，“软起动”中则是平滑的连续的。其实质是一个调压器[2]，是对降压起动的一种改进方式。其工作原理是将三对反并联的晶闸管分别串联在电动机定子的三相绕组上，利用晶闸管的开关特性，通过控制晶闸管的导通角来改变电源加在定子上的电压，实现电机无极平稳起动。主回路原理图如图1所示。

图1 软起动控制的主回路原理图

根据不同的控制策略，软起动方式主要分为以下几种：

3.1 斜坡升压软起动

这是一种电流开环控制的起动方式。根据电机负载情况，设定一个初始电压U1（和电动机起动所需最小转矩相对应），输出电压先迅速升至U1，然后按照设定的速率逐渐升压，直至升至额定电压UN（UN=U2）。软起动即根据此调节电压大小，电压按照斜坡曲线上升。可针对不同的电机，设定最合适起动的电压斜坡上升曲线。斜坡升压软起动的示意图如图2。

图2 斜坡升压软起动示意图

由于是电流开环控制，电流没有限制措施，在电机起动过程中，有时会产生较大的冲击电流，对晶闸管和电网产生不利影响[3]；同时，该起动方式下，电动机的起动时间较长，对电机也不利。

3.2 斜坡恒流软起动

这种起动方式是在电动机起动的初始阶段，起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕[4]。起动过程中，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，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。

3.3 阶跃起动

此种方式下，起动电流达到预定值的过程不是斜坡过程，而是一个阶跃的过程，即以最短的时间达到预定值，使电机的起动时间缩短。

软起动方式中的后两类均属于限流起动，限制起动电流不超过某一设定值，输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预定值，然后在保持输出电流不超过预定值的条件下，逐渐升高电压至额定值[5]，使电动机转速逐渐升高至额定转速。

传统的起动方式和软起动最大的区别：前者属于有极调节，不会产生谐波。后者可以实现无极调节，产生谐波。

不管是传统的起动方式还是以上所讲的软起动，都是通过调节电压、限制电流来使电动机达到一种较好的起动性能，对施加到电动机上的电源频率没有任何改变，在电动机的起动过程中，电动机每极磁通不能保持恒定，而是随着电压电流的变化而变化，在降压起动过程中，电机的磁通变弱，没有充分利用电机的铁芯，造成能量浪费。

4 变频起动

从起动性能来看，变频起动属于软起动的一种，但是二者又有本质的区别。软起动过程中电机的铁芯不能得到充分的利用，节能效果不佳。而变频起动过程中，不仅需要调节电压的大小，还有对应的频率调节，使电动机每极的磁通保持恒定，电机铁芯得到充分的利用。变频原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，工作的主电路和软起动的结构相同，主要区别在于控制方式的选择。根据不同的控制方式，变频器的控制方式主要分为交交变频和交直交变频两种形式，如图3所示。

图3 变频原理框图

交交变频方式[6]是通过控制相控开关的导通角和频率，将三相工频电源直接转换成所需电压频率的电源的控制方式，没有中间的直流环节，变频效率高，主回路简单，不含直流电路及滤波部分，与电源之间无功功率处理以及有功功率回馈容易，不足时输出的最高频率上限为电源频率1/3或1/2，否则输入到电机定子侧的电压谐波含量太大，电机产生抖动，不能工作。因此，这种控制方式在电机的起动阶段可以使用。

交直交变频方式由整流器、滤波部分和逆变器组成，是先把电源线上的交流电经整流器转换成直流电，滤波器对整流电路的输出进行平滑滤波，再经过逆变器把这个直流电变成所需频率和电压的交流电，施加到电机的定子侧，做为电机的电源。该种电路可以实现输入电流电压均为正弦波，输入功率因数高，是一种性能较理想的变频方式。从电路结构上看，存在中间整流滤波环节，需要消耗掉一部分功率，故效率比较低。另外，为使其具有再生反馈电能的能力，要求的控制比较复杂，成本偏高。在对起动性能要求较高、需要调速的场合可以采用。

综上，变频起动可以完美地解决软起动问题，但由于价格昂贵，对于不需要调速，仅仅为了解决软起动问题而使用变频器，是非常不经济的，也是一般的企业所无法接受的，而且当变频设备出现故障时，一般的企业技术人员难以处理。随着变频设备价格下降，可靠性能进一步提高，变频起动将称为未来的一种主流起动方式。