張迪凡 劉 麗 徐高杰
(1 巢湖學(xué)院電子工程與電氣自動化學(xué)院,安徽 巢湖 238000)
(2 合肥華耀電子有限公司,安徽 合肥 230000)
由于異步電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單,易于控制,目前已在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的使用[1],與此同時,起動問題也越來越受到人們的關(guān)注,主要是因為不合理的起動方式不僅會對電機(jī)本身造成損害,還會嚴(yán)重影響電網(wǎng)質(zhì)量,影響其他電網(wǎng)設(shè)備的正常工作。
全壓起動是所有起動方式中結(jié)構(gòu)最簡單的一種,也是其他起動方式產(chǎn)生的依據(jù)。全壓起動即直接起動,是利用接觸器或刀開關(guān)直接將電動機(jī)的定子繞組連接到電源線上的一種起動方式,電動機(jī)和電源線之間無需附加任何起動設(shè)備。
該種方式最大的缺陷就是起動電流很大,遠(yuǎn)大于電機(jī)的額定電流,起動轉(zhuǎn)矩很小。與電機(jī)的起動性能要求即足夠大的起動轉(zhuǎn)矩,以保證電機(jī)可以順利起動,并很快起動結(jié)束;較小的起動電流,以避免電機(jī)發(fā)熱絕緣老化加速,同時保證電源線上其他用電設(shè)備的正常工作相矛盾。但其操作簡單,起動時間短,初期投資較低,所以在條件允許的情況下盡量采用全壓起動,特別是小容量(7.5KW以下)的籠型電機(jī)。
所謂降壓,即降低電動機(jī)的端電壓,以此來達(dá)到減小起動電流的目的。根據(jù)所用的降壓設(shè)備的不同,常用的降壓起動方式分為以下幾種:
(1)在電源和電動機(jī)之間串入降壓設(shè)備,比如電阻(電抗器)、自耦變壓器。串電阻(電抗器)的降壓起動實質(zhì)是電阻(電抗器)的分壓作用,是一種消耗能量型的起動方式;大容量的自耦變壓器體積較大,價格昂貴,維修困難。
(2)通過改變電源與電動機(jī)的接線方式實現(xiàn)降壓,即Y-△起動,在電源與電動機(jī)之間只需要一個轉(zhuǎn)換開關(guān),要求電機(jī)一般為6端子電機(jī),在高壓電機(jī)中較少使用。
以上降壓起動方式可以使電機(jī)的起動電流變小,但是由于起動轉(zhuǎn)矩與電動機(jī)端電壓的平方成正比,因此起動轉(zhuǎn)矩會變得更小,導(dǎo)致重載的電動機(jī)出現(xiàn)可能會起動不起來的現(xiàn)象,所以降壓起動常用于輕載或空載的電動機(jī)起動中。而且降壓起動中電壓的調(diào)節(jié)屬于有極調(diào)節(jié),起動過程是一個跳躍的、不平滑的過程,可能會對電機(jī)造成一定程度的沖擊。
“軟起動”是相對于“硬起動”而言的,“硬起動”過程中起動轉(zhuǎn)矩是跳躍的不連續(xù)的,“軟起動”中則是平滑的連續(xù)的。其實質(zhì)是一個調(diào)壓器[2],是對降壓起動的一種改進(jìn)方式。其工作原理是將三對反并聯(lián)的晶閘管分別串聯(lián)在電動機(jī)定子的三相繞組上,利用晶閘管的開關(guān)特性,通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變電源加在定子上的電壓,實現(xiàn)電機(jī)無極平穩(wěn)起動。主回路原理圖如圖1所示。
圖1 軟起動控制的主回路原理圖
根據(jù)不同的控制策略,軟起動方式主要分為以下幾種:
這是一種電流開環(huán)控制的起動方式。根據(jù)電機(jī)負(fù)載情況,設(shè)定一個初始電壓U1(和電動機(jī)起動所需最小轉(zhuǎn)矩相對應(yīng)),輸出電壓先迅速升至U1,然后按照設(shè)定的速率逐漸升壓,直至升至額定電壓UN(UN=U2)。軟起動即根據(jù)此調(diào)節(jié)電壓大小,電壓按照斜坡曲線上升??舍槍Σ煌碾姍C(jī),設(shè)定最合適起動的電壓斜坡上升曲線。斜坡升壓軟起動的示意圖如圖2。
圖2 斜坡升壓軟起動示意圖
由于是電流開環(huán)控制,電流沒有限制措施,在電機(jī)起動過程中,有時會產(chǎn)生較大的沖擊電流,對晶閘管和電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響[3];同時,該起動方式下,電動機(jī)的起動時間較長,對電機(jī)也不利。
這種起動方式是在電動機(jī)起動的初始階段,起動電流逐漸增加,當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定,直至起動完畢[4]。起動過程中,電流上升變化的速率是可以根據(jù)電動機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大,則起動轉(zhuǎn)矩大,起動時間短。該起動方式是應(yīng)用最多的起動方式,尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的起動。
此種方式下,起動電流達(dá)到預(yù)定值的過程不是斜坡過程,而是一個階躍的過程,即以最短的時間達(dá)到預(yù)定值,使電機(jī)的起動時間縮短。
軟起動方式中的后兩類均屬于限流起動,限制起動電流不超過某一設(shè)定值,輸出電壓從零開始迅速增長,直到其輸出電流達(dá)到預(yù)定值,然后在保持輸出電流不超過預(yù)定值的條件下,逐漸升高電壓至額定值[5],使電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高至額定轉(zhuǎn)速。
傳統(tǒng)的起動方式和軟起動最大的區(qū)別:前者屬于有極調(diào)節(jié),不會產(chǎn)生諧波。后者可以實現(xiàn)無極調(diào)節(jié),產(chǎn)生諧波。
不管是傳統(tǒng)的起動方式還是以上所講的軟起動,都是通過調(diào)節(jié)電壓、限制電流來使電動機(jī)達(dá)到一種較好的起動性能,對施加到電動機(jī)上的電源頻率沒有任何改變,在電動機(jī)的起動過程中,電動機(jī)每極磁通不能保持恒定,而是隨著電壓電流的變化而變化,在降壓起動過程中,電機(jī)的磁通變?nèi)?,沒有充分利用電機(jī)的鐵芯,造成能量浪費(fèi)。
從起動性能來看,變頻起動屬于軟起動的一種,但是二者又有本質(zhì)的區(qū)別。軟起動過程中電機(jī)的鐵芯不能得到充分的利用,節(jié)能效果不佳。而變頻起動過程中,不僅需要調(diào)節(jié)電壓的大小,還有對應(yīng)的頻率調(diào)節(jié),使電動機(jī)每極的磁通保持恒定,電機(jī)鐵芯得到充分的利用。變頻原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置,工作的主電路和軟起動的結(jié)構(gòu)相同,主要區(qū)別在于控制方式的選擇。根據(jù)不同的控制方式,變頻器的控制方式主要分為交交變頻和交直交變頻兩種形式,如圖3所示。
圖3 變頻原理框圖
交交變頻方式[6]是通過控制相控開關(guān)的導(dǎo)通角和頻率,將三相工頻電源直接轉(zhuǎn)換成所需電壓頻率的電源的控制方式,沒有中間的直流環(huán)節(jié),變頻效率高,主回路簡單,不含直流電路及濾波部分,與電源之間無功功率處理以及有功功率回饋容易,不足時輸出的最高頻率上限為電源頻率1/3或1/2,否則輸入到電機(jī)定子側(cè)的電壓諧波含量太大,電機(jī)產(chǎn)生抖動,不能工作。因此,這種控制方式在電機(jī)的起動階段可以使用。
交直交變頻方式由整流器、濾波部分和逆變器組成,是先把電源線上的交流電經(jīng)整流器轉(zhuǎn)換成直流電,濾波器對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波,再經(jīng)過逆變器把這個直流電變成所需頻率和電壓的交流電,施加到電機(jī)的定子側(cè),做為電機(jī)的電源。該種電路可以實現(xiàn)輸入電流電壓均為正弦波,輸入功率因數(shù)高,是一種性能較理想的變頻方式。從電路結(jié)構(gòu)上看,存在中間整流濾波環(huán)節(jié),需要消耗掉一部分功率,故效率比較低。另外,為使其具有再生反饋電能的能力,要求的控制比較復(fù)雜,成本偏高。在對起動性能要求較高、需要調(diào)速的場合可以采用。
綜上,變頻起動可以完美地解決軟起動問題,但由于價格昂貴,對于不需要調(diào)速,僅僅為了解決軟起動問題而使用變頻器,是非常不經(jīng)濟(jì)的,也是一般的企業(yè)所無法接受的,而且當(dāng)變頻設(shè)備出現(xiàn)故障時,一般的企業(yè)技術(shù)人員難以處理。隨著變頻設(shè)備價格下降,可靠性能進(jìn)一步提高,變頻起動將稱為未來的一種主流起動方式。
不同的起動方式有其不同的適用場合,在實際的生產(chǎn)當(dāng)中,應(yīng)根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況和工程上要求達(dá)到的目標(biāo)來選擇適當(dāng)?shù)姆绞健?/p>
[1] 張愛玲,李嵐,梅麗鳳.電力拖動與控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:80.
[2] 龔勛.三相異步電動機(jī)軟起動策略研究與起動器裝置設(shè)計[D].大連:大連理工大學(xué),2009:2.
[3] 白麗克孜·尤努斯,古麗巴哈爾·托呼提.淺談三相異步電動機(jī)軟啟動器的性能及應(yīng)用[J].新疆大學(xué)學(xué)報,2005,(1):124-126.
[4] 駱寶俊.異步電機(jī)軟起動器研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007:14.
[5] 王家善,邵光慶,唐偉.雙閉環(huán)電動機(jī)軟起動器[J].蘇州大學(xué)學(xué)報,2003,(6):10-14.
[6] 王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005:121.