基于電動機啟動和節能的新技術應用方法探析

興安盟節能監察中心 張興海

基于電動機啟動和節能的新技術應用方法探析

興安盟節能監察中心 張興海

通過梳理電動機啟動與節能技術理論文獻，結合實踐工作經驗，對當前電動機啟動常用方法優缺點的比較，探討液阻軟啟動技術、磁控軟啟動、變頻軟啟動和晶閘管三相交流調壓軟啟動。進一步分析電動機節能的基本方法，按照最優功率因數控制原則設計應用較多的調壓控制技術，以及對突變負荷控制方法進行探析。

電動機；節能技術；軟啟動；變頻調速

1 軟啟動技術探析

1.1 液阻軟啟動

液阻軟啟動也有缺點，一是液體電阻箱體積大，根本原因是限流，降低了溫升引起的體積；二是需要有一個移動板的伺服機構，它動作較慢，很難實現多種方式啟動；三是液阻軟啟動需要維護，液體在液體箱內，需要定期補充；四是液阻軟啟動裝置不宜放置在容易結冰或碰傷的地方。近年來，出現了液阻熱軟啟動裝置，通過液體電阻本身在軟起動過程中的溫度升高，電解質的電導率和溫度之間的正相關關系，較少的板塊伺服機構可以實現軟啟動。然而，該設備限流裝置不具備限流能力，對環境溫度的使用要求高，軟啟動重復性差。

1.2 磁控軟啟動

磁控軟啟動來自反應器的軟啟動。三相電抗器串聯在電動機定子端是一個共同點。磁飽和軟起動器的主要區別在于電抗器軟啟動。一般來說，起動流量在啟動時很強，在啟動過程中逐漸減弱。限流的效果是通過控制直流勵磁電流，并改變鐵心的飽和來實現的。由于磁飽和電抗器的輸出功率比控制功率大幾倍，故又稱為磁放大器。磁飽和電抗器有3對交流繞組和一個共同的直流勵磁繞組。通過交流繞組中的定子電流影響勵磁電路的運行。

1.3 變頻軟啟動

變頻軟啟動通過改變電動機的定子頻率，改變電動機旋轉磁場的角速度來改變電動機的轉速。該方法最大的優點是具有較大的起動轉矩，適用于重負荷；不僅可以實現軟啟動，軟停車也是可以實現的；單元串聯變頻器可以實現起動諧波含量小，功率因數高；本啟動模式雖然有許多優點，但啟動設備價格昂貴。

1.4 晶閘管三相交流調壓軟啟動

晶閘管軟啟動是通過開關控制晶閘管的角度，從而實現電壓的變化，以達到限流節能的目的。根據實際負載的起動要求，設置起動電壓、電流限制和啟動時間。目前在低壓（380 V）范圍內，晶閘管軟啟動產品的價格已經下降到約2倍的液阻軟啟動。主要性能優于液阻軟啟動。與液阻軟起動相比，具有體積小、結構緊湊、維護量小、重復性好等優點。

2 電動機節能的基本方法探析

2.1 優化電動機設計

優化設計電動機，猶如開發和使用一個高效節能電動機，但如此大的投資電動機，更換現在正在使用的電動機，這是不可接受的。目前，永磁同步電動機應用于油田，轉子為永磁體，不需要勵磁電流，功率因數高，勵磁繞組的損耗比異步電動機低。

2.2 電動機節能技術改造

并聯電容補償是最早的節能方法之一，可分為固態補償和動態補償2種類型。固態補償是補償電容器與電動機并聯運行，所需的無功功率由電動機提供啟動和運行的電容，有功功率由電源提供，可以最大限度地減少無功功率驅動系統。這種方法不僅可以提高功率因數，減少無功功率的損失，而且可以提高電力設備的電壓質量，但不能降低電動機本身的有功功率損耗。節能原理是當電動機處于輕載運行，減少電動機的端電壓，定子鐵損和銅損會降低，轉子銅損會略有增加，可以忽略機械損耗和雜散損耗，降低功率損耗。電壓節能主要是電動機定子鐵損和銅損的降低。現在有降壓變壓器和電力電子器件2種方式。

3 調壓節能的控制方法

3.1 按照最優功率因數控制原則設計的一種節能裝置

該裝置采用晶閘管實現電壓的調節控制，實現電壓調節控制方法是根據功率因數，以晶閘管電流過零時間的相電壓反映功率因數的大小或負載的過零點之間的差異。這種方法可以達到一定的節能效果，但當電壓幅值過大時，供電線路的諧波分量很大，影響節能。根據功率因數的電壓控制方法，又分為恒定功率因數和伺服功率因數。恒定功率因數的方法是用來測量電動機的值，在操作中，與設定的參考值相比。當實際值低于設定值時，電動機即為輕載，可通過降低定子電壓值來改善，直至實際符合設定值，同時降低電動機的端電壓，以保證輸出軸的功率。

3.2 根據最小功率輸入法實現電壓調節節能方案

交流異步電動機工作時，從電源輸入部分電力轉換為電動機的機械功率輸出軸，通過降低末端電動機電壓，降低電動機損耗，提高電動機的效率和功率因數，達到節能的目的。當電動機在輕負荷運行時，電動機的電壓損耗和銅損耗可以降低，但當電壓下降到一定程度時，定子電流會增加，這會導致銅損失的增加。通過軟件的自動優化，電動機損耗保持在最低水平，使輸入功率達到最小值，從而達到最佳節能的目的。

3.3 突變負荷控制方法

當電動機軸上的負載急劇上升時，也會在很短的時間內將電壓提高到所需的值，以保證軸有足夠的功率輸出，否則電動機會發生“堵轉”現象。因此，控制器必須監測電動機定子電流的時刻，一旦電流變化超過預設的閾值，從而確定突變負荷，立即改變電動機的端子電壓，確保電動機快速響應負載變化能力。

[1]基于超級電容儲能的微網電能質量調節器研究[D].李鵬飛.蘭州交通大學2016.

2017-07-06）