異步電動機常用起動方式的探究

張迪凡 劉 麗 徐高杰

（1 巢湖學院電子工程與電氣自動化學院，安徽 巢湖 238000）

（2 合肥華耀電子有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

由于異步電動機的結構簡單，易于控制，目前已在工業生產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注，主要是因為不合理的起動方式不僅會對電機本身造成損害，還會嚴重影響電網質量，影響其他電網設備的正常工作。

2 傳統起動方式

2.1 全壓起動

全壓起動是所有起動方式中結構最簡單的一種，也是其他起動方式產生的依據。全壓起動即直接起動，是利用接觸器或刀開關直接將電動機的定子繞組連接到電源線上的一種起動方式，電動機和電源線之間無需附加任何起動設備。

該種方式最大的缺陷就是起動電流很大，遠大于電機的額定電流，起動轉矩很小。與電機的起動性能要求即足夠大的起動轉矩，以保證電機可以順利起動，并很快起動結束；較小的起動電流，以避免電機發熱絕緣老化加速，同時保證電源線上其他用電設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。

2.2 降壓起動

所謂降壓，即降低電動機的端電壓，以此來達到減小起動電流的目的。根據所用的降壓設備的不同，常用的降壓起動方式分為以下幾種：

（1）在電源和電動機之間串入降壓設備，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的接線方式實現降壓，即Y-△起動，在電源與電動機之間只需要一個轉換開關，要求電機一般為6端子電機，在高壓電機中較少使用。

以上降壓起動方式可以使電機的起動電流變小，但是由于起動轉矩與電動機端電壓的平方成正比，因此起動轉矩會變得更小，導致重載的電動機出現可能會起動不起來的現象，所以降壓起動常用于輕載或空載的電動機起動中。而且降壓起動中電壓的調節屬于有極調節，起動過程是一個跳躍的、不平滑的過程，可能會對電機造成一定程度的沖擊。

3 軟起動方式

“軟起動”是相對于“硬起動”而言的，“硬起動”過程中起動轉矩是跳躍的不連續的，“軟起動”中則是平滑的連續的。其實質是一個調壓器[2]，是對降壓起動的一種改進方式。其工作原理是將三對反并聯的晶閘管分別串聯在電動機定子的三相繞組上，利用晶閘管的開關特性，通過控制晶閘管的導通角來改變電源加在定子上的電壓，實現電機無極平穩起動。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

根據不同的控制策略，軟起動方式主要分為以下幾種：

3.1 斜坡升壓軟起動

這是一種電流開環控制的起動方式。根據電機負載情況，設定一個初始電壓U1（和電動機起動所需最小轉矩相對應），輸出電壓先迅速升至U1，然后按照設定的速率逐漸升壓，直至升至額定電壓UN（UN=U2）。軟起動即根據此調節電壓大小，電壓按照斜坡曲線上升。可針對不同的電機，設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

由于是電流開環控制，電流沒有限制措施，在電機起動過程中，有時會產生較大的沖擊電流，對晶閘管和電網產生不利影響[3]；同時，該起動方式下，電動機的起動時間較長，對電機也不利。

3.2 斜坡恒流軟起動

這種起動方式是在電動機起動的初始階段，起動電流逐漸增加，當電流達到預先所設定的值后保持恒定，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電動機負載調整設定。電流上升速率大，則起動轉矩大，起動時間短。該起動方式是應用最多的起動方式，尤其適用于風機、泵類負載的起動。

3.3 階躍起動

此種方式下，起動電流達到預定值的過程不是斜坡過程，而是一個階躍的過程，即以最短的時間達到預定值，使電機的起動時間縮短。

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定值，輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預定值，然后在保持輸出電流不超過預定值的條件下，逐漸升高電壓至額定值[5]，使電動機轉速逐漸升高至額定轉速。

傳統的起動方式和軟起動最大的區別：前者屬于有極調節，不會產生諧波。后者可以實現無極調節，產生諧波。

不管是傳統的起動方式還是以上所講的軟起動，都是通過調節電壓、限制電流來使電動機達到一種較好的起動性能，對施加到電動機上的電源頻率沒有任何改變，在電動機的起動過程中，電動機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，電機的磁通變弱，沒有充分利用電機的鐵芯，造成能量浪費。

4 變頻起動

從起動性能來看，變頻起動屬于軟起動的一種，但是二者又有本質的區別。軟起動過程中電機的鐵芯不能得到充分的利用，節能效果不佳。而變頻起動過程中，不僅需要調節電壓的大小，還有對應的頻率調節，使電動機每極的磁通保持恒定，電機鐵芯得到充分的利用。變頻原理是利用電力半導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構相同，主要區別在于控制方式的選擇。根據不同的控制方式，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的導通角和頻率，將三相工頻電源直接轉換成所需電壓頻率的電源的控制方式，沒有中間的直流環節，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，否則輸入到電機定子側的電壓諧波含量太大，電機產生抖動，不能工作。因此，這種控制方式在電機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整流器轉換成直流電，濾波器對整流電路的輸出進行平滑濾波，再經過逆變器把這個直流電變成所需頻率和電壓的交流電，施加到電機的定子側，做為電機的電源。該種電路可以實現輸入電流電壓均為正弦波，輸入功率因數高，是一種性能較理想的變頻方式。從電路結構上看，存在中間整流濾波環節，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，要求的控制比較復雜，成本偏高。在對起動性能要求較高、需要調速的場合可以采用。

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，對于不需要調速，僅僅為了解決軟起動問題而使用變頻器，是非常不經濟的，也是一般的企業所無法接受的，而且當變頻設備出現故障時，一般的企業技術人員難以處理。隨著變頻設備價格下降，可靠性能進一步提高，變頻起動將稱為未來的一種主流起動方式。

5 小結

不同的起動方式有其不同的適用場合，在實際的生產當中，應根據電機的負載情況和工程上要求達到的目標來選擇適當的方式。

[1] 張愛玲，李嵐，梅麗鳳.電力拖動與控制[M].北京：機械工業出版社，2005：80.

[2] 龔勛.三相異步電動機軟起動策略研究與起動器裝置設計[D].大連：大連理工大學，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軟啟動器的性能及應用[J].新疆大學學報，2005，（1）：124-126.

[4] 駱寶俊.異步電機軟起動器研究[D].南京：南京理工大學，2007：14.

[5] 王家善，邵光慶，唐偉.雙閉環電動機軟起動器[J].蘇州大學學報，2003，（6）：10-14.

[6] 王兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2005：121.