交流電動(dòng)機應該選擇適當的啟動(dòng)方式,在啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機工作粗暴,造成的損失主要有以下幾種:①電器使用方面的故障。這方面的故障主要是由于啟動(dòng)方式選擇不當,導致電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí),電網(wǎng)中的電壓和電流變化幅度過(guò)大,嚴重時(shí),電網(wǎng)負荷超過(guò)標準值,造成電路電氣方面的故障。
1 前言
滑雪的人都明白這樣一個(gè)道理：突然、急劇的拉動(dòng)容易使人摔倒。而在工業(yè)應用方面，許多企業(yè)每年都要為他們所使用的電動(dòng)機(用于驅動(dòng)風(fēng)扇、壓碎機、攪拌器、水泵、傳送帶等等)的這種突然、急劇啟動(dòng)浪費數百萬(wàn)美元，每天都有數不盡的交流電動(dòng)機在不必要的處于重荷之下。
交流電動(dòng)機的這種突然而劇烈的啟動(dòng)主要會(huì )造成以下幾個(gè)方面的損失：
(1)直接在線(xiàn)啟動(dòng)或星－三角啟動(dòng)產(chǎn)生的電壓和電流瞬變容易導致電氣故障。電壓和電流的瞬變現象可能導致當地的電網(wǎng)過(guò)荷，從而引起不良的電壓變化，并最終影響到同電網(wǎng)中的其它電氣設備。
(2)導致從電動(dòng)機到啟動(dòng)設備及到強應力等這一整個(gè)驅動(dòng)鏈的機械故障。
(3)運行故障：例如使管路系統產(chǎn)生壓力振動(dòng)，對傳送帶上的產(chǎn)品造成損壞，以及使電梯乘坐不舒適。
此外，經(jīng)濟效益問(wèn)題也是很明顯的：每一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，每一次的故障，都會(huì )因維修甚至暫停生產(chǎn)而導致經(jīng)濟損失。在工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)中，這就會(huì )導致預算外生產(chǎn)成本的增加。
2 軟啟動(dòng)器的開(kāi)發(fā)歷程
交流電動(dòng)機的啟動(dòng)問(wèn)題由來(lái)已久，人們一直在試圖找出一種能夠徹底解決問(wèn)題的辦法，在此過(guò)程中，先后主要研究開(kāi)發(fā)了下面幾種啟動(dòng)方式。
2.1 星－三角啟動(dòng)器
星－三角啟動(dòng)器是一個(gè)較早的解決辦法。在啟動(dòng)過(guò)程中，電網(wǎng)的相位接頭和中性接頭之間，電動(dòng)機定子繞組與啟動(dòng)器進(jìn)行星型連接，從而可以降低電動(dòng)機電壓，及至降低電流大約(圖1);一旦克服主慣量之后，電動(dòng)機定子繞組在電網(wǎng)相位接頭之間的連接就呈三角形，以獲得滿(mǎn)電壓和功率。然而，這種啟動(dòng)器不能從根本上消除機械和電氣瞬變現象，只能使其稍微減弱，使他們穿過(guò)時(shí)間軸上的兩個(gè)點(diǎn)——從隨后的星－三角切換至原點(diǎn)。
星－三角啟動(dòng)法只適用于正常工況，在其它工況下，從星形到三角形之間的切換有時(shí)候比直接在線(xiàn)啟動(dòng)情況還要糟糕。
因此，星－三角啟動(dòng)器對于該問(wèn)題來(lái)說(shuō)只能算是一個(gè)粗淺而有限的解決辦法。
2.2 滑環(huán)電動(dòng)機
另一個(gè)早期的解決辦法就是滑環(huán)電動(dòng)機，該電動(dòng)機由一個(gè)經(jīng)滑環(huán)與轉子電路連接的啟動(dòng)變阻器啟動(dòng)。采用這種方法，雖然電動(dòng)機的扭矩仍能維持在足以啟動(dòng)負荷的必要水平，但啟動(dòng)電流已經(jīng)降低了。
在啟動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機獲得速度，轉子電阻逐漸降低，一旦啟動(dòng)變阻器完全脫離電路，電動(dòng)機就可達到其最大轉速，轉子繞組也在該點(diǎn)短路，因此，電動(dòng)機由此點(diǎn)開(kāi)始作為普通的鼠籠式電動(dòng)機運行。
滑環(huán)電動(dòng)機的優(yōu)點(diǎn)是扭矩較高而啟動(dòng)電流受到限制，主要適用于啟動(dòng)負荷較高的電動(dòng)機，如壓碎機和磨坊用電動(dòng)機；而其不利之處就在于它的機械和電氣結構過(guò)于復雜，且電刷、滑環(huán)、電阻器和接頭的使用又使成本(包括維護成本)增加，可靠性降低。
2.3 頻率轉換器
頻率轉換器從技術(shù)來(lái)說(shuō)要優(yōu)于上述兩種解決方法：因為它可以在電動(dòng)機從啟動(dòng)到正常運行再到停機的每一次運行循環(huán)中，對轉速、扭矩和功率等所有相對變量進(jìn)行精確控制；另一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)就是其控制設備為靜態(tài)，即沒(méi)有移動(dòng)部件。其可靠性因而也提高了，維護工作量很小。
然而，頻率轉換器的缺點(diǎn)是前期投資成本相對過(guò)大，這一點(diǎn)限制了其在很多領(lǐng)域的應用，尤其在那些正常運行中實(shí)際上并不要求定時(shí)控制的設備中的應用。
不過(guò)，隨著(zhù)技術(shù)的不斷更新以及價(jià)格的下降，頻率轉換器已經(jīng)贏(yíng)得了很大的市場(chǎng)。今天，它已在實(shí)際應用中取代了滑環(huán)電動(dòng)機。
2.4 軟啟動(dòng)器
軟啟動(dòng)器于20世紀70年代末到80年代初投入市場(chǎng)，它與頻率轉換器相似，同樣以電子和可控硅為基礎。可以這樣說(shuō)，它填補了星－三角啟動(dòng)器和頻率轉換器在功能實(shí)用性和價(jià)格之間的鴻溝。采用軟啟動(dòng)器，可以控制電動(dòng)機的電壓，使其在啟動(dòng)過(guò)程中逐漸地升高，很自然地限制啟動(dòng)電流(圖1)。這就意味著(zhù)電動(dòng)機可以平穩地啟動(dòng)，機械和電應力也降至最小；該裝置還有一種附帶的功能，即可用來(lái)“軟”停機。
由于該啟動(dòng)器采用電子式電路，可以相對比較容易地通過(guò)安全和事故指示燈增強其基本功能，改善電動(dòng)機的保護，簡(jiǎn)化故障查找，如失相、過(guò)電流和超高溫保護，以及正常運行、電動(dòng)機滿(mǎn)電壓和某些故障指示。象斜坡電壓和初始電壓等所有設定值都可以很容易地在啟動(dòng)器面板上設定。
另外，軟啟動(dòng)器除了完全能夠滿(mǎn)足電動(dòng)機平穩啟動(dòng)這一基本要求外，還具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可靠性高、維護量小、電動(dòng)機保護良好以及參數設置簡(jiǎn)單。
然而軟啟動(dòng)器仍有一個(gè)缺陷，那就是不能長(cháng)時(shí)間用于啟動(dòng)扭矩要求很高的電動(dòng)機驅動(dòng)裝置上。這種局限性主要因為，軟啟動(dòng)器實(shí)際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值(而在停機過(guò)程中又逐漸下降至設定的關(guān)機水平)來(lái)完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，連接電動(dòng)機不能從一開(kāi)始就達到最大扭矩，因此，軟啟動(dòng)器更適合于水泵、風(fēng)扇、傳送帶、電梯等輕型易啟動(dòng)的設備。
3ABB新型軟啟動(dòng)器系列
ABB自從20世紀80年代初就開(kāi)始研制生產(chǎn)軟啟動(dòng)器，其間所獲得的寶貴經(jīng)驗已經(jīng)成功地應用到今天的新系列產(chǎn)品設計之中。最新的PS S系列在許多方面進(jìn)行了改進(jìn)(圖2)，適用于電流3～515A，電源電壓208～690V的電動(dòng)機。
這種新產(chǎn)品系列具有以下幾個(gè)重要的特點(diǎn)：
(1)集成化：在一定的安裝平面上可以安裝更多的軟啟動(dòng)器。
(2)易于安裝：該裝置可以用螺絲釘固定到安裝板(只需4個(gè)孔)上，或者，固定在安裝軌上。這兩種安裝方式的電纜連接都很方便，且面板上有清晰的操作提示。
(3)設置方便：由于只有3種設置(啟動(dòng)電壓斜坡、停機電壓斜坡和初始電壓)，軟啟動(dòng)器的適用范圍很廣，面板上刻度標識非常清晰的旋轉開(kāi)關(guān)有助于你很方便地設定這些值。
(4)固態(tài)電路：這有利于確保最高的可靠性，并將維護工作降至最低限度，即使對于啟動(dòng)和停機非常頻繁的設備依然如此。
3.1 “內三角”連接
PS S系列中絕大部分啟動(dòng)器都可以與電動(dòng)機的三角形電路連接，其結果就象一個(gè)星－三角啟動(dòng)器(圖3)，稱(chēng)之為“內三角”連接。這種連接可使軟啟動(dòng)器的電流負荷降低，從而使電流控制范圍擴大至515A，可以滿(mǎn)足任何較小的應用設備，并能夠為用戶(hù)節約更多的空間和金錢(qián)。
3.2 設計安全耐用
該裝置外包裝堅固，并且對所有有生命的東西均有良好的絕緣，因此，不怕野蠻裝卸，不會(huì )對人產(chǎn)生危險。其電路也基本上是無(wú)故障設計，即使遇到很難出現的內部故障，該裝置也會(huì )自動(dòng)關(guān)機以保護所連接的其它設備。
3.3S S 03……25 3～25A集成軟啟動(dòng)器
該系列軟啟動(dòng)器設計用于額定電流在3～25A，主電壓分別為230V、400V、500V以及600V的小型電動(dòng)機，可以并排安裝在DIN軌道上。這些啟動(dòng)器在主電路上都配備有旁路接頭，可在正常運行時(shí)替代可控硅以減少發(fā)熱。
每個(gè)啟動(dòng)器都可以與控制電壓范圍在24～110V的AC/DC或者110～480V的AC電路連接，從而減化與現有控制系統的接入程序，減少該裝置的換代更新次數。
3.4PS S 18/30……30/515適用于18～515A的通用啟動(dòng)器
這種系列的啟動(dòng)器適用于大型電動(dòng)機，且安裝和適應性更強。該系列啟動(dòng)器適用于額定電流為18～300A的電動(dòng)機，由于它們可以象星－三角啟動(dòng)器一樣接入三角電路(圖3)，適用電流最高可達515A。這一特性使其能夠比任何同類(lèi)產(chǎn)品都更容易替代現有的星－三角啟動(dòng)器以實(shí)現更為平穩的啟動(dòng)(和停機)。
固態(tài)電路設計(主電路上無(wú)機電接頭)使這種啟動(dòng)器特別適用于那些需要頻繁啟動(dòng)和停機的電動(dòng)機驅動(dòng)裝置。
所有該系列的啟動(dòng)器均可與一個(gè)單獨的限制電路連接，從而可設定一個(gè)能與任何斜坡時(shí)間接近的最大啟動(dòng)電流。該功能簡(jiǎn)化了設置，尤其對于那些啟動(dòng)時(shí)間很長(cháng)、慣量很高的設備更是如此。
這種啟動(dòng)器還配備了4個(gè)LED指示燈，分別表示“開(kāi)機”、“滿(mǎn)電壓”、“外部故障”和“一般故障”以及1個(gè)內置式重大故障指示繼電器。這些診斷功能簡(jiǎn)化了監測及故障識別。
該系列啟動(dòng)器的設計適用系數為110％～115％，換句話(huà)說(shuō)它們可以處理連接電動(dòng)機的過(guò)電流問(wèn)題。
內置式旁路信號繼電器可用于控制在連續運行或當利用同一啟動(dòng)器先后啟動(dòng)幾臺電動(dòng)機時(shí)所需的旁路可控硅接頭。
4 結束語(yǔ)
軟啟動(dòng)器對于工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)其好處可謂比比皆是。很少有某個(gè)生產(chǎn)場(chǎng)所不需要電動(dòng)機作為驅動(dòng)設備，不會(huì )得益于A(yíng)BB的新型軟啟動(dòng)器，這是許多ABB軟啟動(dòng)器的受益人所得出的共同結論。軟啟動(dòng)器的強大的適用功能和精巧的設計特點(diǎn)使其在許多現代企業(yè)的“必備設備”清單之列中亦占有一席之地。
電動(dòng)機幾種啟動(dòng)方式的比較：
電動(dòng)機啟動(dòng)方式包括：全壓直接啟動(dòng)、自耦減壓起動(dòng)、Y-Δ 起動(dòng)、軟起動(dòng)器、變頻器。其中軟啟動(dòng)器和變頻器啟動(dòng)為潮流。當然也不是一定要使用軟啟動(dòng)器和變頻器啟動(dòng)，從經(jīng)濟和適用性自行考慮，下面的比較僅供參考。
全壓直接起動(dòng)：
在電網(wǎng)容量和負載兩方面都允許全壓直接起動(dòng)的情況下，可以考慮采用全壓直接起動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是操縱控制方便，維護簡(jiǎn)單，而且比較經(jīng)濟。主要用于小功率電動(dòng)機的起動(dòng)，從節約電能的角度考慮，大于11kw 的電動(dòng)機不宜用此方法。
自耦減壓起動(dòng)：
利用自耦變壓器的多抽頭減壓，既能適應不同負載起動(dòng)的需要，又能得到更大的起動(dòng)轉矩，是一種經(jīng)常被用來(lái)起動(dòng)較大容量電動(dòng)機的減壓起動(dòng)方式。它的最大優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)轉矩較大，當其繞組抽頭在80%處時(shí)，起動(dòng)轉矩可達直接起動(dòng)時(shí)的64%。并且可以通過(guò)抽頭調節起動(dòng)轉矩。至今仍被廣泛應用。
Y-Δ 起動(dòng)：
對于正常運行的定子繞組為三角形接法的鼠籠式異步電動(dòng)機來(lái)說(shuō)，如果在起動(dòng)時(shí)將定子繞組接成星形，待起動(dòng)完畢后再接成三角形，就可以降低起動(dòng)電流，減輕它對電網(wǎng)的沖擊。這樣的起動(dòng)方式稱(chēng)為星三角減壓起動(dòng)，或簡(jiǎn)稱(chēng)為星三角起動(dòng)（Y-Δ 起動(dòng)）。采用星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流只是原來(lái)按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3。如果直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流以6～7Ie 計，則在星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流才2～2.3 倍。這就是說(shuō)采用星三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉矩也降為原來(lái)按三角形接法直接起動(dòng)時(shí)的1/3。適用于無(wú)載或者輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。并且同任何別的減壓起動(dòng)器相比較，其結構最簡(jiǎn)單，價(jià)格也最便宜。除此之外，星三角起動(dòng)方式還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即當負載較輕時(shí)，可以讓電動(dòng)機在星形接法下運行。此時(shí)，額定轉矩與負載可以匹配，這樣能使電動(dòng)機的效率有所提高，并因之節約了電力消耗。
軟起動(dòng)器：
這是利用了可控硅的移相調壓原理來(lái)實(shí)現電動(dòng)機的調壓起動(dòng)，主要用于電動(dòng)機的起動(dòng)控制，起動(dòng)效果好但成本較高。因使用了可控硅元件，可控硅工作時(shí)諧波干擾較大，對電網(wǎng)有一定的影響。另外電網(wǎng)的波動(dòng)也會(huì )影響可控硅元件的導通，特別是同一電網(wǎng)中有多臺可控硅設備時(shí)。因此可控硅元件的故障率較高，因為涉及到電力電子技術(shù)，因此對維護技術(shù)人員的要求也較高。
運用串接于電源與被控電機之間的軟起動(dòng)器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結束，賦予電機全電壓，即為軟起動(dòng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中，電機起動(dòng)轉矩逐漸增加，轉速也逐漸增加。軟起動(dòng)一般有下面幾種起動(dòng)方式：
（1）斜坡升壓軟起動(dòng)：這種起動(dòng)方式最簡(jiǎn)單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調整晶閘管導通角，使之與時(shí)間成一定函數關(guān)系增加。其缺點(diǎn)是，由于不限流，在電機起動(dòng)過(guò)程中，有時(shí)要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網(wǎng)影響較大，實(shí)際很少應用。
（2）斜坡恒流軟起動(dòng)：這種起動(dòng)方式是在電動(dòng)機起動(dòng)的初始階段起動(dòng)電流逐漸增加，當電流達到預先所設定的值后保持恒定(t1至t2階段)，直至起動(dòng)完畢。起動(dòng)過(guò)程中，電流上升變化的速率是可以根據電動(dòng)機負載調整設定。電流上升速率大，則起動(dòng)轉矩大，起動(dòng)時(shí)間短。該起動(dòng)方式是應用最多的起動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機、泵類(lèi)負載的起動(dòng)。
（3）階躍起動(dòng)：開(kāi)機，即以最短時(shí)間，使起動(dòng)電流迅速達到設定值，即為階躍起動(dòng)。通過(guò)調節起動(dòng)電流設定值，可以達到快速起動(dòng)效果。
（4）脈沖沖擊起動(dòng)：在起動(dòng)開(kāi)始階段，讓晶閘管在級短時(shí)間內，以較大電流導通一段時(shí)間后回落，再按原設定值線(xiàn)性上升，連入恒流起動(dòng)。該起動(dòng)方法，在一般負載中較少應用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合。軟起動(dòng)與傳統減壓起動(dòng)方式的不同，籠型電機傳統的減壓起動(dòng)方式有Y-q起動(dòng)、自耦減壓起動(dòng)、電抗器起動(dòng)等。這些起動(dòng)方式都屬于有級減壓起動(dòng)，存在明顯缺點(diǎn)，即起動(dòng)過(guò)程中出現二次沖擊電流。
（5）電壓雙斜坡起動(dòng)：在起動(dòng)過(guò)程中，電機的輸出力矩隨電壓增加，在起動(dòng)時(shí)提供一個(gè)初始的起動(dòng)電壓Us，Us根據負載可調，將Us調到大于負載靜磨擦力矩，使負載能立即開(kāi)始轉動(dòng)。這時(shí)輸出電壓從Us開(kāi)始按一定的斜率上升(斜率可調)，電機不斷加速。當輸出電壓達到達速電壓Ur時(shí)，電機也基本達到額定轉速。軟起動(dòng)器在起動(dòng)過(guò)程中自動(dòng)檢測達速電壓，當電機達到額定轉速時(shí)，使輸出電壓達到額定電壓。
（6）限流起動(dòng)：就是電機的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設定值(Im)的軟起動(dòng)方式。其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(cháng)，直到輸出電流達到預先設定的電流限值Im，然后保持輸出電流I這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調整。對電網(wǎng)影響小，其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間。
（7）突跳起動(dòng)：在起動(dòng)開(kāi)始階段，讓晶閘管在極短的時(shí)間內全導通后回落，再按原設定的值線(xiàn)性上升，進(jìn)入恒流起動(dòng)，該起動(dòng)方法適用于重載并需克服較大靜摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合。
變頻器：
變頻器是現代電動(dòng)機控制領(lǐng)域技術(shù)含量最高，控制功能最全、控制效果最好的電機控制裝置，它通過(guò)改變電網(wǎng)的頻率來(lái)調節電動(dòng)機的轉速和轉矩。因為涉及到電力電子技術(shù)，微機技術(shù)，因此成本高，對維護技術(shù)人員的要求也高，因此主要用在需要調速并且對速度控制要求高的領(lǐng)域。
在以上幾種起動(dòng)控制方式中，星三角起動(dòng)，自藕減壓起動(dòng)因其成本低，維護相對軟起動(dòng)和變頻控制容易，目前在實(shí)際運用中還占有很大的比重。但因其采用分立電氣元件組裝，控制線(xiàn)路接點(diǎn)較多，在其運行中，故障率相對還是比較高。從事過(guò)電氣維護的技術(shù)人員都知道，很多故障都是電氣元件的觸點(diǎn)和連線(xiàn)接點(diǎn)接觸不良引起的，在工況環(huán)境惡劣(如粉塵，潮濕)的地方，這類(lèi)故障更多，但檢查起來(lái)確頗費時(shí)間。另外有時(shí)根據生產(chǎn)需要，要更改電機的運行方式，如原來(lái)電機是連續運行的，需要改成定時(shí)運行，這時(shí)就需要增加元件，更改線(xiàn)路才能實(shí)現。有時(shí)因為負載或電機變動(dòng)，要更改電動(dòng)機的起動(dòng)方式，如原來(lái)是自藕起動(dòng)，要改為星三角起動(dòng)，也要更改控制線(xiàn)路才能實(shí)現。
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