同步電動機軟起動的研究

李曉龍 陳篤超 隋大偉 梁宇晨

（1.天津電氣科學研究院有限公司 天津市 300180 2.天津市中天海河職業培訓學院 天津市 300000）

1 引言

現代科技迅速發展，生產工藝不斷進步，在電氣傳動中對于調速技術的應用越來越廣泛。因為直流電機具有調速性能好、使用方便等優點，所以在調速的傳動中應用很多。但是因為直流電機的器件包括換向器、電刷、升高片等等，這些器件在很大程度上限制了它的過載能力、轉動慣量、單機容量，還有對于維修的程序，這些特點使直流電機無法在生產機械高性能、大型化的領域內得到廣泛的發展。對于同步電機，它的轉速是根據定子中的電流頻率和電機的極對數決定的，若電網用固定的頻率為同步機供電，同步電機意恒定的速度運轉，電機定子和轉子的磁場用一樣的速度進行旋轉，所以被稱為同步電機。傳統的同步電機的轉子繞組利用直流來進行激磁，同步電機用確定的速度進行工作時，改變轉子的激磁電流，同步電機的功率因數也會做出一定調整。傳統的同步電機的運轉速度是不變的，在帶動恒速負載和提高功率因數的工作情況下使用比較多。交流調速的系統有兩種，一種是異步運轉和同步運轉。異步運轉主要控制異步電機，具有異步運轉的功率因數、效率比較低、要求比較高等等的劣勢。同步運轉主要控制同步電機，同步電機有兩種，分別是電勵磁電動機以及永磁電動機。永磁電動機的優勢是功率因數和效率比較高，劣勢是過載比較差、單價比較高、維修程序繁瑣、抗震能力比較弱，并且永磁電動機的轉矩被永磁體所控制，不能強勵磁和弱磁調速，在水泵、軋鋼機、礦井提升機以及空氣壓縮機等等工作場所運用比較廣泛，所以交流同步電動機的應用越來越多，所起作用也越來越重要。

2 同步電動機軟啟動的工作原理

同步電動機的啟動分為兩步，第一步是電網中加入定子繞組，在空隙中會產生旋轉的磁場，這種磁場使得轉子產生了相應的感應電流，感應電流和磁場相互作用，產生了異步的轉矩，最后轉子也跟著開始轉動，這個過程是異步的啟動過程。等到速度達到同步的速度（速度為同步速度的百分之九十五）時，加入勵磁繞組，這時轉子就會產生直流磁場，定子和轉子所產生的磁場彼此吸引，在這個過程中就會產生同步的轉矩，隨著轉矩的產生，轉子會達到同步的轉速，這時這個過程被稱為同步階段。軟起動是利用軟啟動器使在電動機啟動時定子的電壓降低，從而降低啟動時的電流，這種降壓的方式是使用無級可調的方式來降低電壓，這是和其他降壓方法最根本的區別。軟起動技術有著很好的發展前景，尤其在我們國家科技和經濟高速發展的時代，電動機各方面的指標有著苛刻的要求，以前的降壓方式已經跟不上現代工業的發展腳步。軟啟動器在工作周期短，工作頻率高的場合得到廣泛應用，也就是頻繁起停、短期空載短期重載的設備，比如車床、起重機、剪床、皮帶運輸機、刨床等等，還有著特殊要求的設備，比如減速、平滑起動、快速停車、快速制動的情況，對于這些情況，應該使用軟啟動器，不僅可以降低啟動時的電壓，也很省電，大大節約了電力資源。軟啟動的現實意義是使得生產的規模形式得到優化，解決系統網絡化的問題。在工業生產中，生產的規模形式使得在工業生產中，單個機器的功率變得很大，電動機的需求功率也越來越高，但是電網的功率無法滿足電動機和機器的功率，無法形成正確的比關系。加之系統的網絡化越來越廣泛應用，電網無法承受，變得愈加脆弱，所以任一電機在啟動時出現問題和出現不正常的情況，不只會對啟動本身的工作場合產生影響，甚至有可能會對整個電網造成不良的影響，為了保證電力系統的安全，保障國民的生計問題，軟啟動能夠在很大程度上優化這些問題。

軟啟動不僅能夠保證電力系統的安全，也在很大程度上加速了現代工業的發展，使電力系統越來越完善，進而更快地提高電力系統的效率，更好地維護電力系統的穩定性。電動機作為電網中主要部分，它所用的電能是整個發電量的百分之十一，在電力系統中，若不使用軟啟動，比較大的電動機是沒有辦法啟動的，如果強行啟動很有可能造成電力系統的崩潰，從而不能正常運行。軟啟動使得電網的配置更加優化，使得電網運行更加安全，效率更高。軟起動這種技術也更加優化了電動機的特性，使得電動機技術有了更好的發展。在軟起動技術未使用之前，設計電動機時，不僅要考慮啟動的特點，也要考慮運行的要求很難顧全這兩方面的要求，但在使用軟起動技術之后，就可以不用考慮啟動的特點，只需要滿足運行的要求即可，軟起動技術可以很好地滿足啟動的特點，這使得電動機的設計更加合理，從而提高了系統的效率和工作效率。現代工業發展的主要內容是減少污染排放，提高能源利用效率，建設可持續發展，對于提高生產效率有著重要的意義。軟起動技術是采用各種變頻、降壓、降補的方式來實現電動機的軟起動，以此來減輕對電網的影響，對電網進行更好的保護，使整個系統更加穩定，工作相率更高。

軟起動的技術包括三個方面：

（1）提高電動機的力矩以達到整個系統對電動機的各項要求，使電動機能夠更加穩定的加速和運行，減少力矩的沖擊破壞；

（2）提高電動機的起動電流以達到整個系統對電動機承受方面的各項要求，使電動機能夠減少因發熱產生的絕緣和損壞，減少力矩的沖擊破壞；

（3）調整起動電流以滿足國家電網的相關標準，降低電壓的幅度，減低高次諧波的含量，使變壓器、動力系統、電動機得到合理的分配和配合，間接地實現了節能的目標。

3 同步電動機軟啟動的啟動方式

目前，大型同步電動機的啟動方式分為兩大類，分別是異步啟動和同步啟動，異步啟動定子串電抗器啟動、直接啟動、串電阻啟動、自耦變壓器減壓啟動、串電阻啟動、相控調壓啟動；同步啟動包括變頻啟動、小拖大啟動、背靠背啟動。同步電機全壓直接異步啟動的優點是啟動快速、操作簡便、設備簡單，缺點是啟動電流大、沖擊較大。

液變電阻軟啟動設備主要是通過改變電流進行軟起動的方式，因為四周的溫度和環境的不同，會造成不同程度的影響，或許會讓液態電阻更大，這時啟動電流沒有增加到最大值就會出現電動機不能正常啟動的故障，這是因為電動機在一段時間內速度沒有提高到等于額定的轉速導致的。出現這種情況時，必須要等到溫度變低的時候才能再次啟動，這個時間大約是幾個小時，耗費大量的時間，降低工作效率，對于連續運行的生產，這種情況時絕對不能發生的，不然會造成更大的影響和損失。水電阻式軟啟動設備，利用的是可以動的極板，也就解決了上述的問題，不過水壓力大時，極板的震動頻率和振動幅度也很大，很容易損壞極板。用這種方法來啟動電動機時，也就是在電動機的末端串聯一個水電阻，把電源放置在中壓斷路器的前端，定子繞組放置在中壓斷路器的后端。合上電動機的開關時，電源的電壓都加在定子繞組的前端，這種做法會產生較大的電壓并對電機的絕緣產生很大的損壞。雖然水電阻的缺點有很多，但現代工業發展快速，對于電動機的需求越來越高，水電阻相對來說價格優惠，這個特點使得水電阻在生產中應用比較廣泛。水電阻是我們國家現代工業的發展和社會經濟發展的產物，在國內有很大的發展市場，中、小型電動機起動不多的情況比較適合用水電阻(含液變)軟啟動，其他情況要謹慎使用。

變頻軟啟動是在電動機和電源之間串聯一個變頻軟啟動器，通過控制每一相上晶閘管的導通角間接地控制電動機的電壓，當電動機慢慢達到額定轉速時，切斷變頻器，讓電動機開始運行工作。變頻軟啟動器的優點是可以控制啟動電流，可以設置最高電流，可以減少對裝備的沖擊損壞，可以減少對電動機和負載的沖擊損壞，可以使裝備更加穩定。現在使用最廣泛的變頻軟啟動器是交一直一交變頻器，這種變頻器包括逆變器和整流器，整流器的作用是把交流電源電壓整流成直流電，接著進行濾波，通過逆變器轉換成不同頻率的交流電，然后在提供給電動機。通過對電源電壓進行整流可以對電流進行換相，逆變器可以在速度比較低時通過電流斷續法實現這一功能。電動機的運轉速度能夠控制逆變器的輸出頻率，也可以控制開關器件的觸發，實現自同步的功能。與傳統的降壓方式相比，變頻軟啟動器的降壓方式優勢在于使用變頻軟啟動器，電動機剛開始啟動的時候，可以通過控制晶閘管的控制角實現對電流的閉環控制，使啟動電流從零慢慢增加達到設定值，這個過程不會產生沖擊電流，啟動電流是循序漸進的，這樣才能使電機更加穩定地啟動，當然，也可以根據電網和負載的不同要求來選擇最佳的啟動電流。變頻軟啟動時，首先要加入勵磁電流，然后加入電樞電流，再同步切換來啟動電機，這樣可以在很大程度上減少軸、齒輪、壓縮機等機械裝置的振動頻率，適用于大型的電動機。一個變頻器可以對兩臺電機進行分次啟動，利用率是很高的，對于變頻器平時的保養，要時常進行模擬啟動，保障變頻器的運行可以穩定進行。

4 總結

降低電動機的啟動電流的方法有很多，例如星三角啟動、串電抗啟動、變頻啟動、軟啟動器降壓啟動，在這些降壓方法中，轉矩最大的是變頻啟動，電流最小的也是變頻啟動。大功率（6000kW以上）的同步電機，最好是選擇軟起動啟動，軟起動的功能最好。如果使用變頻啟動的方法，需要采用大功率的變頻器，這樣會增高經濟投入，這種啟動方法不適合工業的發展，但如果選用小功率的變頻器又不能實現完全地拖動負載啟動，無法實現兩全。在設計大功率同步電機時，要精確計算短路的容量，考慮系統的各種運行方法，能夠完全滿足各項要求，在設計時要減少重復啟動，減少對系統的損壞。實際運行時，工作人員需要明白電動機運行的各項條件，分析數據總結經驗，完善技術資料。如果使用液態電阻，需要注意的是環境和工作時間最液態電阻有著很大的影響，所以在啟動之前需要測量電阻值，進一步調整直到達到標準要求，謹慎處理對方提出的“3、5年不檢修，僅適量加水”的要求內容。現在對于啟動時間一般是通過PLC 控制和調整極板來調整，以此來調整電阻，進而達到電動機啟動對電流的要求，不是每次啟動的過程都是一樣的，每次啟動都需要分析數據和波形，來保證能夠成功啟動，啟動之前，工作人員要仔細檢查，仔細核對各項要求，如遇突發狀況，要及時改變運行的方式。現代工業發展的主要內容是減少污染排放，提高能源利用效率，建設可持續發展，對于提高生產效率有著重要的意義。軟起動技術是采用各種變頻、降壓、降補的方式來實現電動機的軟起動，以此來減輕對電網的影響，對電網進行更好的保護，使整個系統更加穩定，工作相率更高。