李文潔，韓良輝，張 鳳，王鍶怡

（大連科技學(xué)院，遼寧 大連 116019）

異步電動(dòng)機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉、便于維護(hù)等特點(diǎn)正在逐步取代直流電動(dòng)機(jī)，但是由于我國(guó)的大功率低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量異步電機(jī)的制造還不是很成熟，因直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，故在軋鋼生產(chǎn)中的大功率低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛剪電機(jī)基本還是由直流電機(jī)所占有[1]。

1 直流電機(jī)的啟動(dòng)控制的意義

一方面，通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)調(diào)整和改進(jìn)控制策略，可以有效地減小電流沖擊和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。例如，采用軟啟動(dòng)技術(shù)可以通過(guò)控制電壓的升降速率來(lái)減小電流沖擊，從而提高電機(jī)啟動(dòng)的平穩(wěn)性和可靠性。通過(guò)優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器的調(diào)速控制算法和控制參數(shù)，可以減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出和速度穩(wěn)定性。

另一方面，通過(guò)使用先進(jìn)的控制器和傳感器，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的精確控制和監(jiān)測(cè)。例如，采用閉環(huán)控制技術(shù)可以實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓和電流，從而實(shí)現(xiàn)快速而穩(wěn)定的啟動(dòng)過(guò)程。同時(shí)，結(jié)合功率電子器件和傳感器的應(yīng)用，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，從而及時(shí)調(diào)整控制策略和防止過(guò)載和故障。直流電機(jī)的啟動(dòng)控制問(wèn)題對(duì)于電機(jī)性能和效率具有重要影響。通過(guò)優(yōu)化控制策略和改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，可以有效地改善直流電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，提高電機(jī)的使用效果和能源利用率。

2 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展概述

無(wú)刷直流電機(jī)作為有刷直流電機(jī)的卓越繼承者，它能夠有效地承襲有刷直流電機(jī)的一些優(yōu)點(diǎn)。例如，無(wú)刷直流電機(jī)的電池運(yùn)行相對(duì)更為穩(wěn)定、便捷，與此同時(shí)，有刷直流電機(jī)往往存在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量過(guò)大等一系列相關(guān)不足之處。而對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)而言，可以通過(guò)降低電磁電阻以及改變線圈的繞制方式來(lái)減少對(duì)轉(zhuǎn)子的約束，以實(shí)現(xiàn)減小轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的目標(biāo)。在有刷直流電機(jī)中，由于其轉(zhuǎn)矩與通過(guò)的電流成正比，而電磁線圈的纏繞比例較小，因此導(dǎo)致有刷直流電機(jī)中通過(guò)的電流較小，進(jìn)而使得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩較小。通常情況下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩越大，電機(jī)的效率越高。有刷直流電機(jī)中，電流較小，導(dǎo)致利用率低，是最明顯的缺陷。而無(wú)刷電機(jī)通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改動(dòng)，改變了磁鐵材料，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，這樣就減少了磁鐵的損耗，進(jìn)一步延長(zhǎng)了無(wú)刷直流電機(jī)的使用壽命。這是一項(xiàng)重大的突破[2]。

3 發(fā)電廠直流電機(jī)的啟動(dòng)原理

通過(guò)對(duì)直流發(fā)電機(jī)的研究與分析，可以得出直流發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)需滿足以下兩點(diǎn)要求：首先，必須具備足夠的轉(zhuǎn)矩以確保正常啟動(dòng)；其次，在啟動(dòng)過(guò)程中所使用的電流須處于安全范圍內(nèi)。在直流電機(jī)的啟動(dòng)瞬間，可能產(chǎn)生極高的啟動(dòng)電流，從而對(duì)電機(jī)造成損壞。根據(jù)相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)在這種情況下，啟動(dòng)電流會(huì)超過(guò)額定電流的數(shù)十倍，這種情況會(huì)導(dǎo)致設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞，使得直流電動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。如果電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流過(guò)大，就會(huì)給電動(dòng)機(jī)帶來(lái)巨大的力沖擊，從而造成損壞。因此，在直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制電流大小，以避免損壞。一種常見(jiàn)的方法是在電機(jī)內(nèi)部使用變阻器來(lái)串聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的合理控制，從而確保電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行。

4 直流電機(jī)啟動(dòng)方式

4.1 直接啟動(dòng)

直接啟動(dòng)是一種常見(jiàn)的直流電機(jī)啟動(dòng)方式，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是將電源直接接通到電機(jī)上，使其運(yùn)行起來(lái)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，成本低，適用于一些簡(jiǎn)單的啟動(dòng)控制場(chǎng)景。由于直接接通電源的方式可以使電機(jī)瞬間啟動(dòng)，對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間要求不高的情況，可以選擇直接啟動(dòng)方式。

與此同時(shí)，直接啟動(dòng)方式也存在一些缺點(diǎn)。電機(jī)在啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的啟動(dòng)電流，會(huì)對(duì)供電系統(tǒng)造成較大的沖擊負(fù)荷，可能導(dǎo)致系統(tǒng)電壓變動(dòng)甚至發(fā)生短暫斷電，給電網(wǎng)穩(wěn)定性帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。直接啟動(dòng)方式對(duì)電機(jī)機(jī)械和電氣部分都會(huì)帶來(lái)較大的沖擊。電機(jī)在直接啟動(dòng)時(shí)，由于缺乏啟動(dòng)過(guò)程的軟化控制，容易產(chǎn)生較大的起動(dòng)慣性力，對(duì)電機(jī)內(nèi)部的電氣元件以及整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的壓力[3]。

針對(duì)直接啟動(dòng)方式的缺點(diǎn)，可以采取一些對(duì)策來(lái)減小其對(duì)系統(tǒng)的影響。首先，可以在電源供電系統(tǒng)中加裝一定的啟動(dòng)電容和電感來(lái)平穩(wěn)控制啟動(dòng)電流的大小，減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊；其次，可以采用電氣軟起動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的軟化控制，使得電機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)，減少對(duì)電機(jī)內(nèi)部電氣元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊。

對(duì)于啟動(dòng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)景，還可以考慮采用其他啟動(dòng)方式，如星角起動(dòng)、電阻起動(dòng)或者是變頻啟動(dòng)等。這些啟動(dòng)方式可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇，以滿足啟動(dòng)時(shí)間和電網(wǎng)穩(wěn)定性的要求。直接啟動(dòng)是一種簡(jiǎn)單、成本低的直流電機(jī)啟動(dòng)方式，但在實(shí)際應(yīng)用中需要注意其對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊，采取相應(yīng)的對(duì)策來(lái)降低其對(duì)系統(tǒng)的影響。

4.2 間接啟動(dòng)

間接啟動(dòng)是直流電機(jī)啟動(dòng)的一種方式，通過(guò)降低或變化電機(jī)繞組的電壓、電流等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)。間接啟動(dòng)方式常見(jiàn)的有降壓?jiǎn)?dòng)、降流啟動(dòng)、自勵(lì)起動(dòng)和電阻起動(dòng)等。降壓?jiǎn)?dòng)是一種最簡(jiǎn)單的間接啟動(dòng)方式，通過(guò)減小直流電機(jī)繞組的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。具體方法是利用降壓器或變壓器來(lái)將輸入電壓降低到較低的級(jí)別。降壓?jiǎn)?dòng)的優(yōu)點(diǎn)是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流較小，對(duì)電網(wǎng)的影響較小，適用于啟動(dòng)大功率電機(jī)。然而，降壓?jiǎn)?dòng)也存在缺點(diǎn)，即啟動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩較小，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，不適用于對(duì)起動(dòng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)合[4]。

降流啟動(dòng)則是通過(guò)減小直流電機(jī)的繞組電流來(lái)實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)。一種常見(jiàn)的降流啟動(dòng)方式是利用電阻來(lái)降低電流。在起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)逐步減小電阻的阻值，使得電機(jī)的電流逐步增大，達(dá)到啟動(dòng)要求。降流啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較短，電機(jī)轉(zhuǎn)矩較大，適用于對(duì)起動(dòng)時(shí)間要求較高的場(chǎng)合。但是，降流啟動(dòng)會(huì)導(dǎo)致較大的額外損耗和能量浪費(fèi)，因?yàn)樵趩?dòng)過(guò)程中需要通過(guò)電阻來(lái)限制電流。

5 啟動(dòng)過(guò)程中的電流浪涌問(wèn)題

5.1 電流浪涌的原因分析

在直流電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，常常會(huì)發(fā)生電流浪涌現(xiàn)象。電流浪涌指的是電機(jī)啟動(dòng)瞬間電流迅速上升并達(dá)到峰值的現(xiàn)象。造成電流浪涌的原因主要有以下兩個(gè)方面：首先是直流電機(jī)的自感性質(zhì)。直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分包括轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁線圈，而勵(lì)磁線圈是由銅線繞制而成的，會(huì)產(chǎn)生一定的自感。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電流突然通過(guò)轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁線圈，由于自感的存在，電流上升速度會(huì)變得很快，從而導(dǎo)致電流浪涌。尤其是當(dāng)電機(jī)的額定功率較大時(shí)，電流浪涌現(xiàn)象會(huì)更加明顯；其次是電機(jī)電源端電壓的突變。在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，電源端的電壓由零逐漸上升到額定電壓，這個(gè)過(guò)程中會(huì)存在電壓突變的情況。當(dāng)電壓突然上升時(shí)，電流也會(huì)相應(yīng)地迅速增加，從而產(chǎn)生電流浪涌。特別是在一些老舊的電源系統(tǒng)中，電源變壓器的輸出電壓波動(dòng)較大，更容易引起電流浪涌問(wèn)題[5]。

5.2 電流浪涌的影響

1.直流電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電流浪涌問(wèn)題是一個(gè)需要關(guān)注和解決的關(guān)鍵問(wèn)題。電流浪涌是指在電機(jī)啟動(dòng)瞬間，由于電機(jī)內(nèi)部的電感和電容的反應(yīng)，造成電流突然增大的現(xiàn)象。這種電流突變可能會(huì)對(duì)電機(jī)設(shè)備造成損壞風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和正常運(yùn)行造成干擾。

2.電流浪涌對(duì)直流電機(jī)設(shè)備本身的損壞風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)主要的關(guān)注點(diǎn)。電流突增可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)線圈過(guò)載、燒毀甚至損壞繞組，嚴(yán)重影響電機(jī)的正常運(yùn)行。電流浪涌還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)軸承過(guò)載，進(jìn)一步降低電機(jī)的壽命，并增加設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。因此，在直流電機(jī)的啟動(dòng)控制中，合理控制電流浪涌的大小，對(duì)于保護(hù)電機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

3.電流浪涌還可能對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成干擾。電流突增會(huì)引起電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)其他設(shè)備和用戶造成影響。特別是在大規(guī)模直流電機(jī)集中啟動(dòng)的情況下，電壓波動(dòng)會(huì)更加顯著。這不僅會(huì)造成電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定，還可能導(dǎo)致其他設(shè)備的故障甚至引發(fā)系統(tǒng)級(jí)故障。因此，合理控制電流浪涌的大小，對(duì)于保持電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。

為了解決直流電機(jī)啟動(dòng)控制中的電流浪涌問(wèn)題，可以采取以下對(duì)策。首先，使用啟動(dòng)電阻和變壓器等裝置來(lái)減小啟動(dòng)過(guò)程中的電流突變。這些裝置可以通過(guò)調(diào)節(jié)電流和電壓的大小，平穩(wěn)地將電機(jī)帶動(dòng)起來(lái)，減少對(duì)設(shè)備和電網(wǎng)的影響；其次，可以采用軟啟動(dòng)控制器，通過(guò)逐漸增加電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)矩來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，從而減小電流突變的風(fēng)險(xiǎn)；最后，合理設(shè)置電機(jī)的額定功率和電流，以及使用合適的電源和電線，也可以降低電流浪涌的大小。

6 直流電機(jī)啟動(dòng)控制的對(duì)策

6.1 調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)頻率

調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)頻率是一種常見(jiàn)的方式。根據(jù)電機(jī)的負(fù)載情況和啟動(dòng)需求，可以適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)頻率，從而減少電流浪涌的發(fā)生。一般來(lái)說(shuō)，較低的啟動(dòng)頻率可以減小電流瞬變的幅度，降低電流浪涌現(xiàn)象。但是需要注意的是，啟動(dòng)頻率過(guò)低可能會(huì)影響電機(jī)的啟動(dòng)速度和響應(yīng)能力，因此需要合理地選擇啟動(dòng)頻率。

6.2 調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)電壓

調(diào)整啟動(dòng)頻率外，調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)電壓也是一種有效的策略。通過(guò)控制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓大小，可以對(duì)電流浪涌現(xiàn)象進(jìn)行一定程度的抑制。一般來(lái)說(shuō)，降低啟動(dòng)電壓可以減少電流瞬變的幅度，從而降低電流浪涌的發(fā)生。但是同樣需要注意的是，過(guò)低的啟動(dòng)電壓可能會(huì)影響電機(jī)的啟動(dòng)性能和負(fù)載能力，因此需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。使用軟啟動(dòng)器也是降低電流浪涌現(xiàn)象的常用方法之一。軟啟動(dòng)器是一種能夠緩慢提供電壓和電流給電機(jī)的設(shè)備，通過(guò)逐漸增加電壓和電流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)。相比傳統(tǒng)的直接啟動(dòng)方式，軟啟動(dòng)器能夠有效地降低電流瞬變的幅度，減少電流浪涌的發(fā)生。軟啟動(dòng)器還具有對(duì)電機(jī)的保護(hù)功能，可以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

6.3 調(diào)速驅(qū)動(dòng)機(jī)械

對(duì)于直流電機(jī)而言，調(diào)速是其基本特征之一，并且是一種常見(jiàn)操作。當(dāng)需要達(dá)到較高調(diào)速精度時(shí)，開(kāi)環(huán)調(diào)速和閉環(huán)調(diào)速是常用的兩種方法。不論是直流電機(jī)、交流異步直流電機(jī)還是無(wú)刷直流電機(jī)都可以應(yīng)用這兩種方法。直流電機(jī)是使用范圍最廣的電機(jī)之一，常被應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)制造領(lǐng)域。而交流電機(jī)則更加靈活地適用于各個(gè)領(lǐng)域。由于直流電機(jī)與交流電機(jī)都能滿足調(diào)速要求，所以它們受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。交流電機(jī)具備優(yōu)異的調(diào)速變頻功能，能有效適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中的各種電流變化。這一特性使其成為適應(yīng)時(shí)刻變化電流的理想工具，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約和損耗減少的目標(biāo)。此外，無(wú)刷直流電機(jī)也是另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。無(wú)刷直流電機(jī)作為一種卓越的繼承，具備了小巧、便攜和大功率等顯著優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)勢(shì)使得無(wú)刷直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用。隨著科技的進(jìn)步，無(wú)刷直流電機(jī)逐漸取代了傳統(tǒng)的變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，成為主流變頻的主要選擇。

6.4 項(xiàng)目創(chuàng)新性

采用無(wú)線傳感器實(shí)現(xiàn)變電站直流電源遙測(cè)，拓寬了變電站電源監(jiān)測(cè)的方法；直流電源檢測(cè)使用非接觸取電技術(shù)和可插拔技術(shù)，提高了檢測(cè)技術(shù)的靈活性和實(shí)用性，并增強(qiáng)了系統(tǒng)取電的可靠性，減少了設(shè)備成本；改進(jìn)的直流電源檢測(cè)手段，縮小了檢測(cè)裝置的體積，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝；主站與子站之間采用網(wǎng)絡(luò)通信，無(wú)線基站與傳感器之間采用2.4G 自組網(wǎng)方式改變了網(wǎng)絡(luò)通信模式，降低了人工成本，實(shí)現(xiàn)了兩項(xiàng)遠(yuǎn)程遙控功能，完成了直流電源遠(yuǎn)程測(cè)量的任務(wù)；遙測(cè)終端實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器，使變電站的直流系統(tǒng)維護(hù)人員能夠即時(shí)掌握運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而大大減少了系統(tǒng)直流電源設(shè)備故障的發(fā)生。

7 總結(jié)

本文對(duì)直流電機(jī)啟動(dòng)控制問(wèn)題進(jìn)行了全面而系統(tǒng)的研究。通過(guò)對(duì)直流電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電流浪涌問(wèn)題的深入研究，本文提出了一系列控制策略和對(duì)策，以期為降低電流浪涌的大小，保護(hù)電機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行、維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和正常運(yùn)行提供借鑒。