/大力電工 吳思思/

0 引言

隨著科技的發(fā)展，我們的日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，廣泛使用著各種各樣的機械設(shè)備。使其運轉(zhuǎn)的電力拖動控制系統(tǒng)亦經(jīng)過了一系列的發(fā)展，目前，由于交流電動機較之直流電動機，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠、維護方便、慣量小、效率高，從而使得交流電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。但其在額定電壓下直接起動時電流通常是額定電流的5～6倍左右，過大的起動電流會對電機自身、負載、電網(wǎng)造成一系列的危害，主要表現(xiàn)在如下兩個方面：對電網(wǎng)沖擊大；起動過程中對負載機械造成沖擊。

為了彌補以上兩點不足，大型交流異步電動機的軟起動技術(shù)應(yīng)運而生，其目的主要在于滿足以下幾個方面的要求：減小起動電流，避免壓降過大，對電網(wǎng)及電網(wǎng)下其他設(shè)備的沖擊；起動力矩滿足機械起動要求,提供足夠的加速力矩。動力矩必須大于靜阻力矩，確保電機順利起動；起動過程中轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)上升，避免對工藝設(shè)備的沖擊；減少起動過程中功率的消耗。

1 交流電動機軟起動方式

軟起動設(shè)備采用不同的控制手段實現(xiàn)起動過程中對電壓、電流的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。主要有液態(tài)電阻軟起動、晶閘管軟起動、定子串電阻/電抗起動、變頻器軟起動等，下面分別予以簡要介紹。

1.1 液態(tài)電阻起動

液阻是一種由電解液形成的電阻，其導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。液阻的起動性能及優(yōu)點是，系統(tǒng)功率因數(shù)高、電網(wǎng)電壓波動較小、起動平穩(wěn)無沖擊，液阻軟起動裝置售價低廉，在軟起動過程中不產(chǎn)生諧波，廣泛用于繞線式異步電動機的起動。然而液阻軟起動的使用也存在一些問題：

1）在高電壓大電流環(huán)境中調(diào)整電極板是危險的，移動極板需要一套機構(gòu)，它的移動速度較慢，難以實現(xiàn)起動方式的多樣化；

2）液阻軟起動需要維護，液箱中的水需要定期補充；電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要作表面處理；

3）液阻軟起動裝置不宜放在易結(jié)冰或顛簸的現(xiàn)場。

1.2 晶閘管軟起動

晶閘管軟起動的基本原理是采用晶軋管技術(shù)進行電壓調(diào)節(jié)，是由多個晶軋管串并聯(lián)而成，通過控制晶軋管的觸發(fā)角來控制輸出電壓的大小，可以滿足電機起動過程中不同的電流及電壓要求。在電機起動過程中，起動裝置按照預(yù)先設(shè)定的起動曲線，加大晶閘管觸發(fā)角，逐步提高電機的端電壓，使電機平滑加速，從而減少了電機起動時對電網(wǎng)、電機本身、相連設(shè)備的電氣及機械沖擊。當(dāng)電機達到正常轉(zhuǎn)速后，旁路真空接觸器接通，電機起動完畢。此后，軟起動裝置繼續(xù)監(jiān)控電機并提供各種故障保護。

晶閘管軟起動的特點是：參數(shù)可調(diào)，起動方式多樣；起動性能穩(wěn)定，重復(fù)精度高；體積小，壽命長，安裝維護方便。不足之處是起動過程中對電網(wǎng)的諧波電流注入量比較大，對諧波控制要求較高的工礦企業(yè)應(yīng)采取相應(yīng)措施。

1.3 定子串電阻/電抗器降壓起動

串電阻降壓起動就是在定子側(cè)串聯(lián)可變電阻，隨著轉(zhuǎn)速升高分級切除電阻直至電阻完全被切除，最后電機在額定電壓下運行。電阻降壓起動屬于能耗式降壓起動，起動時消耗大量的電能；同時起動頻次較低，控制精度受外界的影響很大，起動電流偏大，對負載有較大沖擊，體積和重量較大，維護量大。它的優(yōu)點是技術(shù)簡單、價格低廉、無諧波。

采用電抗器類（磁控）軟起動，特點是控制較靈活，起動電流的設(shè)置較方便。缺點是本來電機起動時的功率因數(shù)就低，因串接電抗器而變得更低，因此對電力系統(tǒng)沒有太多的好處，母線壓降大。選用電抗器時便會陷入這樣的矛盾之中：為了減小起動電流總希望電抗值大一些，但這樣又容易造成起動失敗，尤其是當(dāng)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定和負載狀況經(jīng)常變化時，為了保證起動的成功率，電抗值就要小一些，但這樣起動電流又偏大，所以電抗器適于電網(wǎng)電壓和負載(起動時)比較穩(wěn)定的情況。

1.4 變頻軟起動

變頻器可以改變供電頻率，從而改變電機的同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)軟起動。在起動過程中，通過變頻，逐步提高同步轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)良好的靜、動態(tài)起動性能。變頻軟起動的起動電流小，可限制在1.5倍的電動機額定電流以下，同時起動轉(zhuǎn)矩大，可達到電機額定轉(zhuǎn)矩的1.5倍，在此范圍內(nèi)可以任意調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩起動。變頻軟起動很重要的優(yōu)勢在于，電壓和頻率都能連續(xù)地從零開始調(diào)節(jié)，同時做到無過流。

變頻軟起動的缺點主要有三點：器件損耗大，故障率較高，需要經(jīng)常維修；諧波注入量大，污染電網(wǎng)；設(shè)備非常昂貴，尤其是作為軟起動設(shè)備時。

1.5 配合無功補償?shù)淖择钭儔浩髌饎?/p>

自耦變壓器起動是指電動機起動時利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的起動電壓。待電動機起動后，再使電動機與自耦變壓器脫離，從而在全壓下正常運行。三相自耦變壓器一次側(cè)接電網(wǎng)，二次側(cè)接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉(zhuǎn)矩的負載，在電動機起動后再將其切除。其優(yōu)點是起動電壓可以選擇，如0.65、0.8或0.9Un，根據(jù)需要調(diào)整k值以適應(yīng)不同負載的要求。起動特性如下：

由上可以看到自耦變壓器起動時起動電流與k2成正比，所需電網(wǎng)電流較小，適合阻力矩比較大的情況，價格較低。與電抗器降壓起動相比，在獲得同樣起動轉(zhuǎn)矩的情況下，自耦變壓器式降壓起動需電網(wǎng)提供的起動電流較小，對電網(wǎng)電壓的影響小，適合于阻力矩比較大的情況，以及電網(wǎng)短路容量較小的情況，這是它優(yōu)于電抗器起動的地方。

值得注意的是，與電抗器一樣，自耦變壓器同樣可以等效成一理想變壓器與電感元件串聯(lián)，在起動的很短時間內(nèi)，由于電機幾乎不輸出有功，加之與電感元件串聯(lián)，功率因數(shù)進一步惡化，如圖1所示。

圖1

由上圖可以看到，在起動回路中電動機等效電阻RD在轉(zhuǎn)差率S=1時為0，故起動回路為電機等效電感與自耦變壓器等效電感相串聯(lián)，大量的無功功率從電網(wǎng)注入電機起動回路用于建立電動機旋轉(zhuǎn)磁場，進而提供起動轉(zhuǎn)矩，故無功注入是必要的，問題是在注入過程中，感性電流在流過系統(tǒng)阻抗Xs時，必然會造成系統(tǒng)壓降增大和大量無功功率的有功損耗。如果能夠提供另一無功源，減輕電網(wǎng)提供無功的壓力，那么勢必會減少由于電網(wǎng)無功電流的注入引起的電網(wǎng)電壓波動，我們自然想到了電容無功補償裝置。如圖2所示。

圖2

從感性元件和容性元件的特性可以知道，單純的感性或容性負荷，都是會消耗無功容量，但是兩者并聯(lián)，在保證不發(fā)生并聯(lián)諧振的前提下，可以盡量減少電源的無功注入，基于以上原理，在電機采用自耦變壓器起動時采用電容器并聯(lián)方式，用于補償電動機所需要的感性無功。

在補償點的選擇上，可以選擇自耦變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)，或者兩側(cè)都補償一定量的容性無功。如何選擇補償點，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)配置和電機起動要求綜合判定，如電機容量較小，而且母線上預(yù)伏負荷比重較大時，起動成套裝置應(yīng)把電容補償點設(shè)計在自耦變壓器一次側(cè)。電容器電壓等級按電網(wǎng)標稱電壓選取，在起動完成后，成套裝置的電容補償部分，仍可起到補償電網(wǎng)無功的作用，為用戶節(jié)省了開支。如果電機容量較大，母線上預(yù)付負荷較少，從母線到電機端電纜較長，這樣補償點宜選擇在自耦變壓器，以減少無功在電纜中的流動，電容器電壓等級應(yīng)按二次側(cè)最高電壓選擇，以避免在起動過程中由于起動回路阻抗變化引起電容器過壓。

2 結(jié)束語

交流電動機因結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠和價格便宜而被廣泛采用，在額定電壓下直接起動時卻對電網(wǎng)的影響大，對電動機及機械設(shè)備有一定的傷害，合理的選擇軟起動設(shè)備可以保護電機，延長電機使用壽命，保護電網(wǎng)和機械設(shè)備。不同的方式在解決不同的問題時表現(xiàn)出來的性能是不完全相同的，選擇的時候不僅要考慮設(shè)備的先進性，也要考慮其經(jīng)濟性能，針對軟起動設(shè)備的特殊性，亦要考慮設(shè)備的可靠性，及后期管理、維護的工作量。

[1] 胡紅明.異步電機軟起動研究[D].武漢:華中科技大學(xué)2010.

[2] 余龍海.大型電動機軟起動技術(shù)發(fā)展狀況綜述[C].工業(yè)企業(yè)電力節(jié)能減排研討會暨第二屆用電企業(yè)技術(shù)年會論文集,2008.

[3] 袁佑新,夏澤中,胡紅明.基于網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代造紙機械電力傳動系統(tǒng)設(shè)計[C].2006中國電工技術(shù)學(xué)會電力電子學(xué)會第十屆學(xué)術(shù)年會，2006.

[4] 袁佑新,于敬芬,胡紅明,等.基于VC的儲箱液位數(shù)據(jù)采集與處理[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2007,29(6)：131-133.