高壓繞線電機軟起動及調速技術分析

許明圣

(平高集團有限公司，河南 平頂山 467099）

高壓繞線電機經常作為大型機械，諸如風機、水泵以及起重類機械的動力來源，在使用過程中一般會需要調速。這種類型的拖動系統占到工業電力拖動總量的一半以上， 若在使用過程中一直采用恒速驅動的方式，則會導致大量的電能浪費。 因此，有必要通過對應的調速技術含量控制設備使用過程中的速度，這對于節約電能尤為重要。 同時，對于那些需要調速的場合，還會要求通過軟起動的方式降低電機起動過程中對電網造成的沖擊，以達到減少其對電網的污染作用。力求通過對電機軟起動以及調速技術的應用達到提高電機工作效率、降低工業生產成本、減少損耗等作用，以滿足大部分拖動機械的變速要求。

1 高壓繞線電機軟起動技術

高壓繞線電機在采用直接起動時將會產生很大的電流沖擊、大轉矩沖擊以及操作過電壓，尤其是電機在全壓起動過程中，其產生的起動轉矩將達到額定轉矩的2 倍左右，直接對電機的使用壽命與電網穩定造成危害。 所以，通常不允許大型電機直接全壓啟動，而是采用軟起動的方式抑制電機直接起動過程中帶來的大電流、轉矩沖擊。

常用到的繞線電機軟起動方法包括轉子串電阻起動、釘子串電抗器起動、星形轉三角形轉換起動、轉子串頻敏變阻器起動、自耦降壓起動、磁飽和軟起動器、定子側晶閘管串聯降壓軟起動、定子側晶閘管串聯分級變頻軟起動以及變頻器等起動方式。

其中，變頻器作為近些年變頻調速技術的代表，其工作過程中，電機定子電壓與頻率都能夠實現從零持續調節，達到起動電流小、起動轉矩大的目的，具有良好的起動性能。 這對于負載功率大、起動載荷重的高壓電機起動尤為重要，但是變頻器的成本價格較高，而且維修費用較高，一般用于重要部分的電力驅動。

隨著電力電子技術的迅速發展， 在對應控制理論以及電子功率器件的發展下，高壓繞線電機的軟起動系統逐步趨于智能化。 通常，典型的智能軟起動設備包括主電路、控制系統兩個主要部分。 其中，主電路一般包括繼電器、電力電子功率器件、交流接觸器以及開關等構成。 而且大部分的電力電子功率器件多采用晶閘管，利用晶閘管觸發角的改變實現電動機定子電壓的變化，從而對起動電流的大小近些年來控制，最終實現電動機的軟起動。 當完成起動之后，將切換至接觸器，使得晶閘管退出起動系統，電機將自動進入正常運行狀態。 起動控制系統通過對電力電子功率器件觸發角的控制實現對電機起動過程的控制，同時還能夠實現故障警報、保護處理以及顯示等功能。

晶閘管軟起動器通常采用使得定子電壓逐漸增大， 直到增加至額定電壓的方式，使得電機得以平滑起動，減少了起動沖擊電流。 晶閘管軟起動器的結構較為簡單、體積較小，而且其輸出電壓能夠持續可調，便于對軟起動器中的未處理器進行控制，從而實現對系統任意電壓值的輸出。 因為微處理器的存在，使得晶閘管軟起動器同時還包括節能、保護等多項功能。 但是，晶閘管軟起動器也具有對應的缺點， 其依然屬于降壓起動方式，而且由于三相交流繞線電機定子電壓下降時，電機的電磁轉矩將會與電壓成平方的方式下降，最終造成了電機的負載能力下降的現象，這在一定程度上限制了其應用場合，使得其主要用于空載或者輕載起動的場合，例如水泵、風機等機械的拖動。

2 高壓繞線電機調速技術

當前， 高壓繞線電機的調速方法主要包括轉子串電阻調速與轉子斬波調阻調速、變頻調速、串級調速、雙饋調速等。

2.1 轉子串電阻調速與轉子斬波調阻調速

該方法就是在繞線電機的轉子上串入附加電阻， 或者改變斬波器的占空比的方式達到調速目的。 其中，串入的電阻值越大時，電機的轉速將越低。 該種調速方法控制簡單，但是其轉差功率都以發熱的方式消耗，不利于節能，而且電機的損耗較大，工作效率較低。

2.2 串級調速

串級調速就是講繞線電機的定子接到頻率固定的三相電網中，然后將轉子回路串入到幅值可調的直流電源上，以通過改變轉子回路匯總直流電源復制的方式改變電機的轉差率，從而達到調節電機轉速的目的。 在串級調速系統當中，定子的旋轉磁場同步速度恒定不變，其通過改變轉子與定子之間的轉速差實現對電機轉速的控制。 但是，其余調阻調速原理不同的是轉子速度下降之后的轉差功率并沒有完全以熱量的形式消耗掉，而是重新返回至電網被利用，所以該種控制系統的電能利用效率較高，在我國得以大量應用。 一般，在電機的調速范圍要求不高的情況下， 調速系統變頻器容量與轉子的轉差功率相當，而且變頻器自身的容量可以大、小變化，尤其是在轉子電壓較低時， 整個調速系統的成本要遠低于當前的變頻調速方案。但是，該種方案的公路因數較低、調速范圍較小，容易產生高次諧波，從而對電網形成一定的污染。

2.3 雙饋調速

若串級調速的轉子回路通過變流器產生的三相交流電源是幅值、相位與頻率皆可調時，則此時的串級調速為雙饋調速。在該系統中，轉差功率在經過整流之后將逆變為交流電再反饋至電網。 或者直接將轉差公路變流處理自豪和反饋至感應電機。 對于高壓繞線式電機，其雙饋調速效率較高，不但能夠調節電機定子的側功率因數至1，而且還可以向電網發出無功功率。同時，因為電力電子變流器與轉子側相連，其傳遞的為較小的轉差功率，所以可以采用容量很小的變流器，降低了系統成本。另外，利用雙饋調速方式能夠顯著提高電網的功率因數，甚至還可以向電網發送滯后無功功率。 因此，其廣泛應用于高壓大容量繞線式異步電機的速度控制中，包括風機、泵類等負載。

2.4 變頻調速

變頻調速技術時通過連續改變電機定子電源頻率的方式達到度電機轉速控制的目的。 雖然該種方式能夠得到持續平滑的無極調速，但是其制造價格昂貴，因此一般用于重點場合的被拖動電機調速中。

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