三相交流異步電動機(jī)軟啟動裝置的工作原理研究

王運(yùn)英 鶴壁豐鶴發(fā)電股份有限公司

1. 電動機(jī)軟啟動技術(shù)與裝置的研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)，主要是國外的品牌占據(jù)中國的電動機(jī)軟啟動裝置市場，如AB、ABB、施耐德、西門子等公司的品牌。但這些公司的產(chǎn)品大都是在線運(yùn)行方式的晶閘管調(diào)壓軟啟動裝置。缺點(diǎn)是把晶閘管作為主開關(guān)，在線運(yùn)行時會在電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波，對電網(wǎng)造成較大危害；長期在線運(yùn)行的晶閘管，消耗大量的能量，浪費(fèi)大量的能源；晶閘管作為主開關(guān)長期工作，沒有機(jī)械式開關(guān)的工作可靠性高；昂貴的產(chǎn)品價(jià)格，給用戶造成經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

到了21世紀(jì)初，國內(nèi)廠家開發(fā)了旁路型軟啟動裝置，即電動機(jī)啟動完成后，把電動機(jī)旁路到接觸器上運(yùn)行。優(yōu)點(diǎn)是克服了晶閘管在線運(yùn)行的缺點(diǎn)，尤其不需要附加機(jī)械風(fēng)冷降溫。但是，它同時帶來了另外一些問題：一是使得整個電路系統(tǒng)的復(fù)雜程度大大增加，可靠性降低；二是功能強(qiáng)大的智能控制器的作用沒有得到充分發(fā)揮，有的失去對電動機(jī)的保護(hù)作用；三是成套裝置的體積增加，成本升高；四是變得復(fù)雜的電路系統(tǒng)，使得維護(hù)與檢修的難度增加。

2. 本文主要研究內(nèi)容

本文主要在分析異步電動機(jī)的啟動與制動原理的基礎(chǔ)上研究軟啟動裝置的基本原理。

2.1 交流異步電動機(jī)啟動方式

作為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的三相異步電動機(jī)，在以下情況下需進(jìn)行軟啟動：一是電動機(jī)啟動時，機(jī)械不能承受全壓啟動的沖擊轉(zhuǎn)矩；二是電動機(jī)啟動時，其端電壓不能滿足規(guī)范要求；三是電動機(jī)啟動時，影響其他負(fù)荷的正常運(yùn)行。

中、大容量的異步電動機(jī)傳統(tǒng)的啟動方式是減壓啟動，方式有Y/△啟動、自耦變壓器啟動、定子串電抗或串電阻啟動等等。這些啟動方式都屬于有級減壓啟動，存在明顯的缺陷，即啟動過程中出現(xiàn)二次沖擊電流。

目前最先進(jìn)最流行的是電子軟啟動裝置。軟啟動與傳統(tǒng)減壓啟動方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是：

（1）無沖擊電流，對機(jī)械負(fù)載的轉(zhuǎn)矩沖擊小。軟啟動裝置在啟動電機(jī)時，通過逐漸減小晶閘管導(dǎo)通角，使電機(jī)啟動電流從零線性上升至設(shè)定值。

（2）軟啟動裝置比傳統(tǒng)的啟動裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝使用簡單，維護(hù)方便，安全可靠，使用壽命長。

（3）負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)試方便。可根據(jù)負(fù)載變化，方便、自由地調(diào)整所有啟動參數(shù)，從而使得各種負(fù)載達(dá)到最佳的啟動效果。

2.2 電動機(jī)軟啟動裝置工作原理

所謂電動機(jī)“軟啟動”，是將交流電動機(jī)接入由晶閘管組成的三相交流調(diào)壓電路。在電動機(jī)的啟動過程中，由控制電路調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，使加在電動機(jī)定子繞組上的端電壓由某一初值開始逐步爬升至全電壓，電動機(jī)將在較小的啟動電流條件下由零速平穩(wěn)上升到額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要電動機(jī)具有不同啟動特性以適應(yīng)不同的工況要求時，通過改變觸發(fā)角的變化規(guī)律，可以改變電動機(jī)的啟動模式，適應(yīng)不同的工況要求。

2.2.1 電動機(jī)軟啟動裝置組成和工作原理

電動機(jī)軟啟動裝置基本由三相晶閘管交流調(diào)壓電路、電源同步檢測回路、觸發(fā)角控制和調(diào)節(jié)回路、觸發(fā)脈沖形成和隔離放大回路、反饋量檢測回路組成。

交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡單的調(diào)速方法，在異步電動機(jī)定子回路中串入電抗器或在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。晶閘管軟啟動器正是應(yīng)用了交流調(diào)壓調(diào)速的原理，它的主電路結(jié)構(gòu)形式同晶閘管三相交流調(diào)壓電路完全一致，它利用晶閘管的可控導(dǎo)通特性，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來改變實(shí)際施加在電動機(jī)定子繞組上的電壓有效值，從而減小電動機(jī)啟動電流。這就是晶閘管電動機(jī)軟啟動器之所以能夠減小電動機(jī)啟動電流，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動的基本原理。

2.2.2 電動機(jī)軟啟動裝置啟動模式

為了適應(yīng)各種運(yùn)行工況和負(fù)載性質(zhì)的要求，軟啟動裝置具有不同的啟動模式。

(1)電壓斜坡啟動

電壓斜坡啟動是最常用的啟動模式，它的原理如圖2-1所示。它是一種通過減少啟動轉(zhuǎn)矩的沖擊，實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)平滑、連續(xù)無級加速的啟動模式，它可以減少對電動機(jī)所拖動的機(jī)械中的齒輪、聯(lián)軸器、傳送帶等零部件的損壞。用戶可先設(shè)定一個初始的啟動轉(zhuǎn)矩，從初始的啟動轉(zhuǎn)矩開始，在加速斜坡時間內(nèi)，控制晶閘管的觸發(fā)角由初始值逐漸下降到零，電動機(jī)的輸出電壓緩慢增加直至全電壓。其中，加速斜坡的時間可調(diào)，如果在電壓上升過程中，電動機(jī)已經(jīng)達(dá)到全速，輸出電壓將自動切換自全電壓。

圖2 -1 斜坡啟動原理圖

(2)斜坡限流啟動

斜坡限流啟動原理如圖2-2所示。當(dāng)按照電壓斜坡啟動模式控制電動機(jī)啟動時，如果啟動時間和初始啟動電壓參數(shù)設(shè)置不合理，或者電動機(jī)負(fù)載的變化，可能會導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢而外加到電動機(jī)上的電壓增加較快，這時采用限流啟動模式。在這種模式下啟動電動機(jī)，輸出電壓在設(shè)定時間內(nèi)平穩(wěn)上升，同時輸出電流以一定的速率增加，當(dāng)啟動電流增至限定值時，保持電流恒定，直至啟動完成。

圖2 -2 斜坡限流啟動原理圖

(3)帶突跳的電壓斜坡啟動

帶突跳的電壓斜坡啟動原理如圖2-3所示。當(dāng)電動機(jī)在啟動初始時刻，由于其靜摩擦轉(zhuǎn)矩很大（遠(yuǎn)大于動摩擦轉(zhuǎn)矩），電動機(jī)需要較大的初始轉(zhuǎn)矩，以克服靜摩擦轉(zhuǎn)矩及負(fù)載等阻力轉(zhuǎn)矩，才能轉(zhuǎn)動起來。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)動后，靜摩擦變?yōu)閯幽Σ粒渥枇D(zhuǎn)矩反而減小了。

帶突跳的電壓斜坡啟動模式就是在啟動初始時刻，在電動機(jī)上施加一個較高的電壓脈沖，使電動機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩能夠轉(zhuǎn)動起來，然后電動機(jī)端電壓再從一個設(shè)定的基值電壓開始逐漸上升，以減小電動機(jī)的啟動電流。

圖2 -3 帶突跳的電壓斜坡啟動原理圖

(4)帶突跳的斜坡限流啟動

帶突跳的斜坡限流啟動原理如圖2-4所示。這種啟動模式中有一電流限制環(huán)節(jié)，它是在帶突跳的電壓斜坡啟動方式的基礎(chǔ)上增加的。其作用是為了防止電動機(jī)在斜坡啟動過程中，電流超過設(shè)定值。其原理與斜坡限流啟動方式相同。

圖2 -4 帶突跳的斜坡限流啟動