交流异步电动机的软起动

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1 引言    传统的交流异步电动机有全压和降压两种起动方法．前者最简便，但起动电流大；而在大多数应用中多采用后者。这两种软起动具有控制线路简单，起动转矩不可调，二次冲击电流，并对负载有冲击转矩。随着微处理器和单片机的飞速发展，数字控制在交流调速系统中也取得了快速发展，使得电动机软起动也有长足发展。2 软起动器的工作原理    软起动有磁控降压软起动器和电子软起动器。其中，磁控降压软起动采用控磁限幅调压方式减压调控电动机起动时的电压，实质就是电抗器降压起动。电子软起动器有晶闸管调压软起动和变频器调速软起动。晶闸管调压软起动器的主回路采用6只晶闸管两两反向并联组成的调压电路，并焊接于电动机的三相供电线路。当起动器的微机控制系统接收到起动指令后进行有关计算。输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的导通角起动器按所设定的模式调节输出电压，从而控制电动机的起动。当电动机起动完成后，起动器吸合旁路线接触器，使晶闸管短路，电动机直接投入电网运行，避免不必要的电能损耗。图1为电子软起动器控制框图。

    用电子式软起动器起动电动机时，不仅实现了在整个起动过程中无冲击而且平滑地起动电动机，还可根据电动机负载特性调节起动过程中的参数，如限流值、起动时间等。电子软起动与其他传统起动方式相比，具有良好的软起动能力，它既能保证电动机在负载要求内起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击；而与磁控式软起动相比较，从起动电流特性曲线及其他特性可以看出电子软起动装置优于磁控式软起动装置。3 软起动方法3．1 限流软起动    限流软起动主要用于轻载起动的负载设备，其输出电压从零快速升高到其输出电流达到预设的电流阈值Im，然后保持输出电流I<Im的条件下逐渐增大至额定电压，电动机转速逐渐升高到额定转速，输出电流迅速下降到额定电流，起动完成。3．2 电压斜坡起动    输出电压以斜坡线性上升，使传统降压起动由有级变无级，主要用于重载起动。其缺点是转矩小，且转矩特性是上升抛物线型，不利于起动，且起动时间长。而改进的双斜坡起动其输出电压先迅速升至U1，U1为电动机起动最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升高，直至额定电压，初始电压和电压上升速率可根据负载特性进行调整。该双斜坡起动特点是起动电流相对较大，起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。3．3 转矩控制启动    转矩控制启动主要用于重载起动，它是按电动机的起动转矩线性上升来控制输出电压，优点是起动平滑，柔性好，适用于拖动系统，同时减少对电网的冲击，是最优的重载起动方式，缺点是起动时间较长。3．4 转矩加突跳控制起动    该方法也用于重载起动，所不同的是在起动瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，最后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，使用时应特别注意。3．5 电压控制起动    该方法用于轻载起动，在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能的缩短起动时间，因此，该方法是最优的轻载软起动方式。4 重载起动4．1 交一交变频工作原理    软起动对低压电机效果明显，但采用可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，电压降低的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数降低，无功功率增加，因此决定了该软起动器只适用于轻载。然而在很多场合不能保证负载为轻载起动，这就要求在降低电压的同时，减小供电电压频率，即保持V/F不变和恒力矩起动．因而变频器变频起动是最好的起动设备，但变频器仅用于起动，无调速，将造成资金浪费，且感应电动机的重载起动只是短时间，故采用交一交变频器实现重载软起动。由于交一交变频实现重载软起动，交一交变频无中间直流环节，仅用一次变换就能实现变频，效率高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器主要也是由交一交变频完成。其工作原理：两组交流电路按一定频率交替工作，负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，改变输出频率；改变变流电路工作时的控制角，交流输出电压的幅值也随之改变。与可控硅整流电路(软起动)相同，交一交变频电路也为电网换相。

4．2 交一交变频软起动试验    为验证交一交变频软起动的起动效果，对一台中压电机(6 kV、780 kW、89 A)进行全压直接起动与交一交变频软起动试验。该软起动实验采用电气量采集分析装置(PCA2002型)记录有关参数及电压、电流波形，并进行对比分析。
                          
                       
                          
                                4．2．1 全压直接起动    图2为全压直接起动的电压、电流波形。由图2(a)电压波形可见，电动机起动前系统电压为

起动中电压降为

即电压降到起动前电压的81％(下降19％)，电动机起动后经1．9 s到达额定转速，电压回升至

即原系统的99．3％。由图2(b)电流波形可见，电动机起动开始时有一个涌流(其第一个脉冲最大，为额定电流Im的6．9倍)，很快衰减到453．8 A，为电动机额定电流Im的5．1倍．该电流持续了约1.32 s，然后经0．57 s逐渐下降到电动机的空载电流25．6 A。4．2．2 重载软起动    图3为重载软起动的电压、电流波形。从图3(a)电压波形可见，电动机起动前系统电压为

起动后电压几乎没有变化，随着电机转速逐步上升，电压稍有下降，最低降至

即下降到原电压的94．5％(下降5．5％)，当电动机达到额定转速时，电压回升到

即原系统电压的99.4％。从图3(b)电流波形可见，开始电流几乎为零，经约6．5 s增加到19．2 A；再经过5 s，电流增加到36．7 A；又经5s，电流增加到78．2 A；又经5 s，电流增加到145．9 A；经14 s，电流增加到169．8 A，然后逐渐变化到电动机的空载电流25．7 A。电动机起动全过程约为45．2 s，出现的最大电流169．8 A是电机额定电流的1．9倍。    通过对比验证看出，用软起动效果远好于常规起动，虽然在起动过程中，起动电流中含有一定的高次谐波，而电压中却只有很小的高次谐波，电压的总谐波畸变率为2．72%，如见图4所示，所以并不会对系统造成影响。

4．3 出现的问题及解决方法    交一交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1／3～1／2。但由于主要用于起动，一旦速度达到全速的1／3，控制相应晶闸管使其切换到软起动。因为此时电压相对较小，切换的过程中不会产生很大的冲击电流。由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可采用快速的过零电流检测减小死区时间。

5 结语    由于传统起动方式将逐渐被可控硅软起动取代，然而软起动却不能较好解决感应电机的重载起动，因此给出一种实用的交一交变频起动方式。目前采用交一交变频技术成本相对过高，致使该技术主要用于大型矿井的关键设备。但随着技术的提高，节能意识的增强，交流异步电动机的软起动具有广泛的应用领域。