【正文】 中文 4220 字 異步電動機起動 的 方法和問題 摘要： 大容量的交流異步電動機有多種啟動方法?？蛇x擇的如全壓啟動、降壓啟動、自耦變壓器啟動、星三角轉(zhuǎn)換啟動、軟啟動、或者使用 可調(diào)速驅(qū)動器，都有潛在優(yōu)勢 和選擇 。降壓啟動可以減小啟動轉(zhuǎn)矩，可以防止損壞負(fù)載。此外，功率因數(shù)校正電容器可以用來減 小 電流 ，但選擇的型號必須 合適，否則將會造成電容器的嚴(yán)重 損壞 。為電動機選擇一個合適的啟動方法 ， 需要分析電力系統(tǒng) 和啟動負(fù)載以確保電機達(dá)到所需性能 且成本最少。 本文將探討最常見的 幾種啟動方法以及它們的應(yīng)用。 檢索 詞： 電機啟動 降壓啟動 自耦 變壓器 星三角 功率因數(shù)校正 Ⅰ .引言 異步電動機有多種啟動方法：全壓啟動、降壓啟動、星三角轉(zhuǎn)換啟動和 部分繞組 等 類型 。降壓啟動包括固態(tài)啟動器、變頻啟動和自耦變壓器啟動。這些連同全壓或者直接啟動，當(dāng)電動機的應(yīng)用場合被確定后可以給購買者大量類型的變化。每種方法都有它自己的好處，以及貿(mào)易業(yè)績。合理的選擇包括對電力系統(tǒng)透徹的研究，負(fù)載的加速以及設(shè)備的全部成本。 為了使負(fù)載能夠很好的加速，電動機必 須產(chǎn)生比負(fù)載需求更大的轉(zhuǎn)矩。一般來說，在機械特性曲線上集中有三點 。第一 點 是堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩（ LRT），使電機由靜止到旋轉(zhuǎn)的最小轉(zhuǎn)矩 。第二 點 是最小啟動轉(zhuǎn)矩，使電機由靜止加速到出現(xiàn)制動轉(zhuǎn)矩是的最小轉(zhuǎn)矩。最后 一點 是臨街轉(zhuǎn)矩，就是電機能 產(chǎn)生的最大轉(zhuǎn)矩。如果任何一段虛線在負(fù)載曲線以下，則電機就不能啟動。如 圖 1所示 。電機的加速時間是由負(fù)載的慣性以及電機的機械特性曲線和負(fù)載的特性曲線之 間的差額決定的?？偟?來說，電機的加速時間越長，則電機轉(zhuǎn)子銅條、端環(huán)、定子繞組產(chǎn)生的熱量也就越多。這些熱量會 給 這些部件 帶來額外的壓力 甚至還會影響到電機的使用壽命。 Ⅱ .全電壓 全壓文啟動的方法也叫直接啟動，是最早被使用的方法，且設(shè)備成本最低工作最可靠。這種方法利用一個控 制器閉合 電流接觸器給電動機輸入全壓。此方法允許電動機產(chǎn)生最大的啟動轉(zhuǎn)矩使 加速時間最短。 由于用此方法啟動電機會使啟動電流達(dá)到電機額定電流的六到七倍，因此方法也是給供電系統(tǒng)帶來最大的壓力的方法。如果供電系統(tǒng)比較薄弱，大功率電機的突然啟動不僅會使電動機的電壓瞬間下降，而且會使給電機供電的整個母線端電壓下降。電壓下降會使此電動機的啟動轉(zhuǎn)矩和工作在同一母線上的電動機的轉(zhuǎn)矩下降。異步電動機的轉(zhuǎn)矩大 約和輸入電壓的平方成比例變化。因此，由于電壓的大幅下降，工作在此 供電系統(tǒng)的電動機可能停車。另外許多控制系統(tǒng)監(jiān)控器工作在低電 壓下，第二個全壓啟動時電壓問題會使正在運行的電機離線。同時，母線電壓變化，直接啟動的另一個問題驅(qū)動設(shè)備突然被加載。由于瞬時轉(zhuǎn)矩可以超過轉(zhuǎn)子制動轉(zhuǎn)矩的 600%，這個沖擊負(fù)荷會增加設(shè)備的磨損，如果負(fù)載不能承受由電機啟動產(chǎn)生的力矩，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性故障。 A．電容器和啟動 異步電動機功率因數(shù)通常很低 ,因此在開始有很大的 感性無功 。 如圖 2所示。 在啟動時通過給電機增加電容器可以降低對系統(tǒng)的這種影響。 電機需要大量的無功電流滯后于輸入電壓 90度。這個無功功率不產(chǎn)生任何輸出，但是這是電機運行所必需的。輸入電壓產(chǎn)生無功功 率和這個無功功率組成的可用無功功率功率表測量。電容器擔(dān)任提供一個超前 90度的電流。由電容器產(chǎn)生的超前電流取消了電機需要的滯后電流，降低了從供電系統(tǒng)輸入的感性無功功率。 避免過電壓和 電機 損壞 應(yīng)小心 謹(jǐn)慎 確保電容器 被切除當(dāng) 電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時 ,否則由于 功率 損失，電動機利用由 電容器提供 的 磁化電流 將 不會進(jìn)入 發(fā)電 模式 . 這將在 下 一段和附錄 中詳述。 B．功率因數(shù)校正 電容器也可永久留下提高滿載功率因數(shù) ， 當(dāng)使用這種方式 時 被稱為功率因數(shù)校正電容器 。該電容器的容量不能大于電動機的勵磁電流，除非當(dāng)功率降低時他們可以和電機分離。 附加的電容器將會改變電機的開環(huán)時間常數(shù)，時間常數(shù)表示電機斷電后電壓衰減到原來的 %所需要的時間。沒有電容的典型值是兩到三秒。 由于電容器和電動機的前端相連，在電機斷開電源之后電容可以繼續(xù)提供勵磁電流。這表明該系統(tǒng)的時間常數(shù)較大。如果電機驅(qū)動高慣性負(fù)載，電動機會利用電容提供的勵磁電流和負(fù)載的帶動轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)。這可能導(dǎo)致電機端部的電壓上升到額定電壓的 50%。如果在電壓劇烈衰減之前再次通電會產(chǎn)生很大的開關(guān)電流和轉(zhuǎn)矩，會造成電動機和驅(qū)動設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p壞。這種現(xiàn)象的例子在附錄中有概述。 Ⅲ .降電壓 每一種降壓方 法都是通過控制電動機的輸入電壓來減小電動機起動電流對供電系統(tǒng)的沖擊。在考慮具體的降壓啟動方法時，了解負(fù)載特性是非常重要的。當(dāng)電機制造商要確定他們的設(shè)計時必須知道電機的機械特性和被驅(qū)動設(shè)備的轉(zhuǎn)動慣量?？梢酝ㄟ^初始狀態(tài)或脫離轉(zhuǎn)矩，以及不少于四個速度上升的數(shù)據(jù)點和全速時的轉(zhuǎn)矩構(gòu)成啟動狀態(tài)的曲線。在很多情況下可以被假設(shè)成一個離心曲線或直角曲線， 但是在一些應(yīng)用場合這還是有問題的。 例如螺桿式壓縮機在低速時比離心式鼓風(fēng)機類負(fù)載需要更大的轉(zhuǎn)矩。 通過詳細(xì)了解負(fù)載的特性，廠商可以確定選擇的啟動方法可以產(chǎn)生足夠大的力矩啟動負(fù)載。 A．自耦變壓器 電動機連接在變壓器的低壓側(cè)。 80%、 65%和 50%是最常用的接頭。電壓為原來的 50%電流則為全壓轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時的 25%。電動機降低電壓啟動，當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的條件時就切換成全壓。這個條件可以是預(yù)先設(shè)定的時間、電流、母線電壓或者電動機的轉(zhuǎn)速。這種變化既可以采用閉環(huán)方式也可以采用開環(huán)方式。采用開環(huán)方式在低壓和全壓切換時線路電壓嚴(yán)重，應(yīng)小心使用，以確保不會由于切換產(chǎn)生暫態(tài)問題。這個潛在的問題可以采用閉環(huán)的方法消除。采用閉環(huán)的方式可以給電機提供連續(xù)的電壓。利用 自耦起動另一個好處是盡可能 的 降低 了 振動和噪音 。 因為電機的轉(zhuǎn)矩隨輸入電壓的平方變化而變化。 應(yīng)非常謹(jǐn)慎 ,以確保 可以從電動機 獲得 足夠的加速轉(zhuǎn)矩 。應(yīng)該用驅(qū)動設(shè)備的機械特性和慣性來驗證電動機的設(shè)計。 一個好的經(jīng)驗法則是至少有 10%的額定 轉(zhuǎn) 矩 ， 作為 該 曲線各點 的極限。 此外，對加速時間應(yīng)進(jìn)行計算 ，以確保電機有足夠的熱容量將電機在長時間加速時產(chǎn)生的熱量散發(fā)掉。 B．固態(tài)軟啟動器 這些裝置采用 可控硅 整流器或晶閘管，通過控制 晶閘管 的觸發(fā)角，可以控制該裝置產(chǎn)生的電壓 ， 并限制啟動電流，在一個正弦周期中僅讓部分通過，來啟動電動機。 最常用 的 軟起動器的 類型是 限流型 ，電流被限制在滿 載電流的 175%到500%并編入裝置中。然后讓輸入電機的電壓斜坡上升一直到限制值，并使 保持 電流 不變使電機加速。利用轉(zhuǎn)速表和軟啟動器可以控制加速時間，軟啟動器調(diào)整輸出電壓使電機維持一個恒定的加速度。關(guān)于啟動力矩和其他降壓啟動方法有同樣的問題，另一個問題是由于 晶閘管 的觸發(fā)角會使電機產(chǎn)生 振蕩轉(zhuǎn)矩，依靠驅(qū)動設(shè)備， 可能導(dǎo)致系統(tǒng)共振。 B．星三角啟動 用這種方法啟動的異步電機，結(jié)構(gòu)上每一相的引出端都被放置在電機的接線盒內(nèi)。這允許電機在初始啟動時星形連接，然后重新接成三角形運行。初始啟動時用星形連接時電壓降為原來的 1/ 3 ，啟動電流和啟動力矩下降 2/3。根據(jù)應(yīng)用，電機切換到三角形可在轉(zhuǎn)速為 50% 到最大速度 之間 。 必須指出 ,同樣的問題 存在 ,包括先前談到的切換 方法，如果采用開路法，暫態(tài)過渡可能是一個問題。這種方法經(jīng)常用在低于 600V的電機上，額定電壓在 角啟動的方法。 Ⅴ .結(jié)論 異步電動機有許多啟動方法，依據(jù)電力系統(tǒng)的制約、設(shè)備 成本、負(fù)載設(shè)備來選擇最好的啟動方法。從設(shè)備的角度來看，全壓啟動是 最早的最便宜的方法，但它可能在使用效率上增加成本，或者該區(qū) 域的供電系統(tǒng)不能滿足其需要。降壓啟動方式有效的緩解了供電系統(tǒng)，卻以犧牲啟動力矩為代價的。 這些方法也可能導(dǎo)致不得不加大電機尺寸以產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 帶動 所需的負(fù)荷 。采用變頻器可以消除以上的兩個缺點，但需要額外的增加設(shè)備成本。理解應(yīng)用的局限性，以及驅(qū)動設(shè)備的啟動力矩和速度要求，可以讓你為你的應(yīng)用確定最佳的整體配置。 C．變頻器 這種器件控制全面靈活，在一定量的電流可以產(chǎn)生最大的轉(zhuǎn)矩，但同時也是成本最高的。這種裝置不僅電壓變化，而且頻率也同時變化，使電機的工作在一個恒壓頻比條件下。這可以使電動機在 整個 調(diào) 速度范圍內(nèi)產(chǎn)生滿載轉(zhuǎn)矩 ， 最高可達(dá) 10:1。在啟動過程中，典型的電流值為額定電流的 150%。這使電動機帶載啟動時對電源的要求有很大的降低并減小了電機產(chǎn)生的熱量，所有這些加起來，很大的提高了工作效率。利用變頻器也可以使小電機在低速范圍內(nèi)產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩。但電機的型號必須大于要帶動的負(fù)載。在電機加速時變頻器可以 允許一個很大程度的控制 ，而其他降壓啟動方式去不容易做到。變頻器相對于其他方式最大的缺點就是成本高 ！使用成本高，只 能在特殊電機的設(shè)計上使用?；隍?qū)動器的輸出信號，濾波還是不濾波，都需要額外的裝置。 這些結(jié)構(gòu)特征包括絕緣軸承，鐵芯接地 刷和絕緣連軸中來自共 模 電壓的潛在鐵芯電流。沒有這些結(jié)構(gòu)特征，鐵芯電流通過鐵芯、軸承、機殼形成回路，造成軸承彎曲使軸承過早的損壞。當(dāng)使用電機和驅(qū)動裝置在危險環(huán)境和區(qū)域中時應(yīng)該考慮這種潛在的危險。電機用在變頻器上的額外結(jié)構(gòu)特征需要電機繞組有一個更好的絕緣系統(tǒng)。沒有濾波直接從驅(qū)動器出來的信號會在電機中產(chǎn)生諧波電壓毛刺，威脅電機繞組的絕緣。值得注意的是，在變頻器上電機的這些特征可以用來啟動和運行。如果這些驅(qū)動僅用于啟動電機