淺談三相異步電動機軟啟動控制與保護(hù)

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：軟啟動的調(diào)壓模塊一般由三相反并聯(lián)晶閘管組成，可以通過改變晶閘管的觸發(fā)角改變定子的電壓，方便控制，性能良好。文章對三相異步電機的啟動進(jìn)行概述，分析了軟啟動的原理和特性，介紹了軟啟動系統(tǒng)構(gòu)成及作用，同時分析了軟啟動技術(shù)的*性和實用性。

關(guān)鍵詞：三相異步電動機；軟啟動控制技術(shù)；晶閘管

      傳統(tǒng)電動機啟動，對電力系統(tǒng)的各個部件造成重大影響，降低它們的使用壽命，甚至可能形成電網(wǎng)電壓驟降，從而影響電力系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，直接影響電網(wǎng)中的其余電氣設(shè)施運轉(zhuǎn)狀態(tài)。如此大的電流不但加重了輸入線路、供電網(wǎng)和電機前方的開關(guān)設(shè)施的負(fù)載，巨大的轉(zhuǎn)矩沖擊導(dǎo)致電機產(chǎn)生劇烈的脈沖。還給用于動力傳遞的輔助設(shè)施，如三角帶、傳動機構(gòu)和用于動力傳遞的機械設(shè)備帶來了機械沖擊，并且無法避免。

      電動機頻繁使用，再加上它直接啟動帶來的各種危害，一種新的啟動方式——軟啟動應(yīng)運而生，如今軟啟動已廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，與傳統(tǒng)啟動方式相比具有很多優(yōu)勢，而且軟啟動也分為各種啟動的方式，各種方式應(yīng)用于不同的領(lǐng)域，比如輕載，重載。同時，軟啟動所用材料也各有不同，不同的軟啟動材料也有不同的特點，也有各種不同的利弊。因為電機的問題，造成工廠出現(xiàn)事故，直接或者間接導(dǎo)致經(jīng)濟重大的損失。

      由此可以看出，電動機既是為數(shù)眾多，廣泛應(yīng)用的動力設(shè)備，同時又是國民經(jīng)濟的薄弱環(huán)節(jié)，電動機的研究保護(hù)設(shè)計以及正確的使用，對于國民經(jīng)濟有著較重要的意義。

1.1啟動過程

      異步電動機在社會的各個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，各個行業(yè)如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸業(yè)，都少不了異步電動機，可見它在日常生活中對人們的重要性。

      電動機的電壓和電流呈正比，所以要把電壓全加到定子上的話可以減輕啟動電流過大的沖擊，這就是降壓啟動。一般降壓啟動的時候，在這樣的情況下，它們的數(shù)值都不會很高：就是啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩在電壓的情況下，一同增加，一同減小。像這樣的情況，更適合需求啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩都不高的場合。

      為了更加便利，可以采用這樣的辦法：在電機啟動時，為了避免造成諧波過大，首先可以采用星型連接的方式，在啟動完成后把電路連接方式轉(zhuǎn)換成三角形連接。異步電動機啟動時要注意：啟動需要的設(shè)備不要復(fù)雜，要簡單，操作要方便；電動機要有特別大的啟動轉(zhuǎn)矩；啟動轉(zhuǎn)矩相同的情況下，啟動電流小的越適合人們應(yīng)用，功率損耗越小的越受到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)矩和啟動電流是電機啟動時的兩個重要參數(shù)，要兼顧這兩個方面來控制電動機的啟動。

三相異步電動機的電機的磁場與靜止轉(zhuǎn)子相對運動后，轉(zhuǎn)子的電流和感應(yīng)電動勢在變大，定子也是如此。但是，過大的啟動電流會導(dǎo)致電壓下降，電壓下降過大會直接影響電網(wǎng)電力設(shè)備的運行。如果電壓降低，會使啟動轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到需要的轉(zhuǎn)矩，即使啟動時間再長也會失敗。因而，使用大型變壓器的場所，小容量的三相異步電機方便啟動。

1.2啟動方法

1.2.1直接啟動

      直接啟動方式如果頻繁地啟動電機，就會造成電壓降低，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，從而電網(wǎng)中的設(shè)備正常運行受到影響，有時可能無法啟動或終止負(fù)載[3]。直接啟動應(yīng)盡量避免電壓下降，否則一定會無法完成啟動并帶來不好的影響，電機無法正常的啟動會影響整個電力系統(tǒng)的運行。

1.2.2傳統(tǒng)減壓啟動

      根據(jù)電壓幅度的大小能不能連續(xù)可調(diào)，可以分為分步調(diào)壓和逐級調(diào)壓。分級電壓調(diào)節(jié)是把電壓分成幾個層次，用較低的電壓水平啟動電動機，并在起動的過程中逐漸變大電壓幅值，一直到電動機啟動。

1.2.3軟啟動

      三相反并聯(lián)晶閘管以星型方式連接，這樣的電流不會四處流動，四處流動會導(dǎo)致電路中的諧波變大，就好像三角形連接，這樣的連接效果就會導(dǎo)致電路中的諧波變大，損耗增加。啟動完成后，三相晶閘管的旁路接觸器會吸和，以免造成不必要的功率損失。這樣軟啟動的方式性能好，啟動方式平緩，方便于控制，方便于管理電流，缺點就是諧波大。

2.1軟啟動的工作原理

      晶閘管軟啟動原理如圖1所示，目的是改變異步電機兩端電壓。加在電機上的定子電壓逐漸升高額定電壓，實現(xiàn)了異步電機的軟啟動。啟動完成后，三相晶閘管部分被短路，以免浪費功率。軟啟動之所以用三相反并聯(lián)晶閘管，是因為軟啟動要用的是三相交流電源，所以要用到三相反并聯(lián)晶閘管，同時為了減小諧波，采用星型的連接方法，三端接到三相交流電源，一端接入電動機，保證了良好的啟動效果和高的效率。

      三角形連接法的三次諧波可以流動，因此繞組中的電流增加，并且繞組的附加銅損耗增加。文章采用的軟啟動方式是星形連接，諧波少。工作時，需要不同的兩相正反相同時導(dǎo)通才可以。同時應(yīng)注意繞組之間的相位關(guān)系，無論是正反向晶閘管的，還是不同相的晶閘管的。

2.2三相異步電機軟啟動的控制方式

2.2.1斜坡電壓啟動

      電壓斜坡屬于開環(huán)控制，自調(diào)節(jié)能力差。啟動時間長，無限流環(huán)節(jié)，啟動中期電流較大，對設(shè)施構(gòu)成損壞，對電網(wǎng)電能品質(zhì)影響較大。此外，由于控制參數(shù)比較單一，控制參數(shù)通常由經(jīng)驗選擇，動態(tài)效果不好。不管初始電壓以怎樣的線性斜度上升至額定電壓，上升至額定電壓后，都將保持穩(wěn)定，上升的樣子就像個斜坡一樣，又叫斜坡電壓啟動。無論初始電壓以怎樣的斜率上升，終達(dá)到額定電壓就會趨于平穩(wěn)，以此來保證電動機的順利運行。但斜坡電壓啟動無反饋系統(tǒng)，這樣不好控制，在此啟動過程中，啟動方法效果單一，只有控制電壓才能啟動。

2.2.2限流啟動

      如果電流限制設(shè)置得小，啟動轉(zhuǎn)矩就會很小，從而無法啟動。因為這種方法的啟動轉(zhuǎn)矩不高，輕載情況更適用于限流啟動，電流先以線性上升，到上限電流后平穩(wěn)，直到達(dá)到額定電壓，再恢復(fù)至額定電流，啟動成功。啟動成功后，電流值會從維持了一會的電流值下降，而之前的維持上限電流是為了等待電機成功啟動，而啟動成功后，則不需要電流如此之大，就會逐漸下降到額定電流。這樣的啟動方式，避免了配置的損壞，而上限電流雖然維持了一會但不會對設(shè)備造成太大的影響。

2.2.3轉(zhuǎn)矩斜坡啟動

      轉(zhuǎn)矩斜坡啟動，轉(zhuǎn)矩曲線的設(shè)置應(yīng)始終大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且速度不斷增加。后，將設(shè)定轉(zhuǎn)矩曲線與異步電動機起動時的輸出曲線進(jìn)行比較，并依據(jù)誤差對晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整。大型泵電機場合適合用轉(zhuǎn)矩斜坡啟動。大型泵電機多用大型磁鐵，而磁鐵能提供電磁轉(zhuǎn)矩，由于電磁轉(zhuǎn)矩較大，因此，轉(zhuǎn)矩斜坡啟動更適合大型泵電機啟動。因為負(fù)載屬于耗能器件，如果給的動力小于消耗的動力，則無法提供給電動機應(yīng)有的動力，就會無法啟動。而隨著初始轉(zhuǎn)矩到達(dá)額定轉(zhuǎn)矩，電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，初始轉(zhuǎn)矩就可以下降了，同時負(fù)載轉(zhuǎn)矩慢慢提高。

      三相異步電機軟啟動工作原理中的交流調(diào)壓模塊是由三相反并聯(lián)晶閘管組成，控制方式有很多種，都是為了轉(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩來工作的。這樣的控制方式避免了種種不利因素，以良好的啟動效果實現(xiàn)啟動。

      電動機軟啟動系統(tǒng)模塊如圖2所示。三相交流電源下有同步電壓檢測模塊，電動機接有電流檢測模塊，SCR驅(qū)動電路、信號隔離電路都作用于反并聯(lián)晶閘管。晶閘管端電壓檢測模塊可以給功率因數(shù)角控制模塊發(fā)出信號，后32位ARM微處理器把信息投入到液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊，并且和RS485以太網(wǎng)進(jìn)行信息互相交流。其詳細(xì)工作過程如下：LPC2378通過檢測起動接觸器的返回信號，了解電動機需要軟起動。當(dāng)晶閘管觸發(fā)角和啟動時間小于閾值時，旁路啟動器閉合，并斷開啟動接觸器，使得電機與電網(wǎng)相連。這樣保證了系統(tǒng)能源的充分利用，使啟動后的電力資源直接供應(yīng)給電機，這樣不僅方便了供電，還提升了電網(wǎng)設(shè)備的耐用性，這種方法為多數(shù)電廠設(shè)備所采用。三相晶閘管可以控制觸發(fā)角度，所以啟動時比較平滑，是連續(xù)的，便于啟動調(diào)節(jié)。

      1）功率單元：主要由六個晶閘管組成，每相由兩個晶閘管逆并聯(lián)，每相晶閘管的兩端由旁路接觸器并聯(lián)，旁路接觸器用于啟動后的旁路軟起動器。并聯(lián)電容是為了濾波。

      2）檢測單元：三相電壓經(jīng)調(diào)節(jié)電路饋入控制器A/D通道，用于電壓監(jiān)測、過壓、欠壓保護(hù)等。第二種是利用檢測到的晶閘管電壓變換后的方波信號同時進(jìn)入A/D通道，并饋入控制器計算電機的功率因數(shù)角。

      3）晶閘管觸發(fā)單元：晶閘管觸發(fā)單元能改變定子電壓，實現(xiàn)驅(qū)動，是因為晶閘管觸發(fā)單元能與三相交流電源與三相異步電動機相連。

      4）外圍拓展單元：這些單元包括信號處理、信號隔離、功率放大、運行參數(shù)和故障信息檢測顯示，還有鍵盤輸入電路等。外圍拓展的單元基本包含了與外部器件相關(guān)的功能與應(yīng)用。

      文章對系統(tǒng)的硬件部分做了分析與應(yīng)用，同時對硬件部分在系統(tǒng)中的應(yīng)用做了介紹。硬件部分有主要器件、電源模塊、主電路、同步信號采集模塊、電流檢測電路，它們是硬件部分的各個模塊，起到不同的作用。

4.1產(chǎn)品簡介

      ARD該系列低壓電動機保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能?？膳c接觸器、電動機起動器等電器元件構(gòu)成電動機控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號報警、現(xiàn)場總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業(yè)的配電領(lǐng)域。

4.2產(chǎn)品選型

      產(chǎn)品功能

說明：“√"表示具備“■"表示可選

 

      文章介紹了三相異步電機的各個方面，包括了它的啟動過程、啟動方法、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計。在三相異步電機的啟動過程中，應(yīng)盡量避免電壓降，過大的啟動電流，同時啟動轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該列為重要的參數(shù)之一，不斷觀察啟動轉(zhuǎn)矩，以免電動機啟動失敗。眾多啟動方法中，應(yīng)用參數(shù)用到了電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩，這些都可以作為電機啟動過程中啟動的因素。今后電機的啟動的發(fā)展方向會趨向節(jié)能，保護(hù)電機，效率高，耐用性高的方向，三相晶閘管應(yīng)用更受大多數(shù)電機的應(yīng)用，在以后的應(yīng)用中應(yīng)該加入一個快速熔斷器，防止在調(diào)壓的過程中晶閘管的損壞。

[1]馬勇,陶玉麒,蔡桂民.基于 DSP 的電機軟啟動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].電工技術(shù),2016(10):1-2.

[2]劉攀，梁里鵬.三相異步電動機軟啟動控制技術(shù)研究[J].機電技術(shù)應(yīng)用，2020(04):165-166.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2020.06版.

      張雙，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電動機保護(hù)器的設(shè)計與應(yīng)用