交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究

1前言

目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机（包括380V/660V低压电动机和3kV/6kV中压电动机），有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态，白白地浪费掉大量的电能。究其原因，大致是由以下几种情况造成的：

（1）由于大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，8～10倍的起动电流也造成巨大的能量损耗；

（2）在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低；

（3）从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。

电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，并分别于1990年和1995年制定和修定了一个强制性的国家标准：（GB124971995）三相异步电动机经济运行。希望依此来规范三相异步电动机的经济运行，国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用，但对中压电动机则收效甚微。其原因是：

（1）中压电动机一般容量较大，一旦发生故障，其影响也大，因此对节电措施的可靠性的要求就更高；

（2）中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制，节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为上，国内尚无定型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。

2异步电动机的软起动

由于工业生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能提出了越来越高的要求，归纳起来有以下几个方面：

（1）要求电动机有足够大的，并且能平稳提升的

起动转矩和符合要求的机械特性曲线；

（2）尽可能小的起动电流；

（3）起动设备尽可能简单、经济、可靠，起动操作

方便；

（4）起动过程中的功率损耗应尽可能的少。

根据以上相互矛盾的要求和电网的实际情况，通常采用的起动方式有两种：一种是在额定电压下的直接起动方式，另一种是降压起动方式。

2.1直接起动的危害

直接起动是最简单的起动方式，起动时通过闸刀或接触器将电动机直接接到电网上。直接起动的优点是起动设备简单，起动速度快，但是直接起动的危害很大：

（1）电网冲击：过大的起动电流（空载起动电流可达额定电流的4～7倍，带载起动时可达8～10倍或更大），会造成电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行，还可能使欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；

（2）机械冲击：过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等；

（3）对生产机械造成冲击：起动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命；影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。

所有这些都给设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。因此对电动机直接起动有以下限制条件：（1）生产机械是否允许拖动电动机直接起动，这

是先决条件；

（2）电动机的容量应不大于供电变压器容量的

10％～15％；

（3）起动过程中的电压降△U应不大于额定电压

的15％。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接起动，而要求采用一定的起动设备，方可完成正常的起动工作。

2．2老式降压起动方式的适用场合及性能比较

降压起动的目的是减小起动电流，但它同时也使起动转矩下降了。对于重载起动，带有大的峰值负载的生产机械，就不能用这种方式起动。传统的降压起动有以下几种方法：（1）星形/三角形转换器：这种方法适用于正常运行时定子绕组采用△接法的电动机。定子有六个接头引出，接到转换开关上，起动时采用星形接法，起动完毕后再切换成△接法。起动电压为220V，运行电压为380V。这种起动设备的优点是起动设备简单，起动过程中消耗能量少。缺点是有二次电流冲击，设备故障率高，需要经常维护，所以不宜使用在频繁起动的设备上。在转换过程中，由于瞬变电势和电动机剩磁产生的电势往往与电源电压有相位差，严重时会产生电压相加，引起过大的冲击电流和电磁转矩，因此大大地限制了它的使用。由于起动电压为运行电压的1/，故其起动转矩为额定转矩的1/3，只能用在空载或轻载（负载率小于1/3）起动的设备。在电动机轻载或空载运行时，也可利用该起动设备作降压运行，以提高电动机的功率因数和效率。

（2）自耦变压器降压起动：三相自耦变压器（也称补偿器）高压边接电网，低压边接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同起动转矩的负载。在电动机起动后再将其切除。其优点是起动电压可以选择，如0.65、0.8或0.9UN，以适应不同负载的要求。缺点是体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。

(3)磁控软起动器：磁控软起动器是利用控磁限幅调压的原理，在电动机起动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，起动特性变软，并可实现软停车。但其起控电压在200V左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体积较大。

(4)串联电抗器或水电阻：对于高压电机，可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压起动，待起动完成后再将其切除。但电抗器成本高，水电阻损耗又大。

(5)串接频敏变阻器或水电阻：对于绕线式异步电动机，可在转子绕组串接频敏变阻器或水电阻实现起动，待起动完成后再将其切除。但频敏变阻器成本高，而水电阻损耗又大。其他还有延边三角形起动，定子串电阻起动等方法。

值得指出的是：尽管各种老式降压起动方法各有其优缺点，但它们有一个共同的优点：就是没有谐波污染。

2．3新型的电子式软起动器

随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出一系列电子式起动控制设备，用于异步电动机的起动控制，以取代传统的降压起动设备。新型的电子式软起动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的导通角α,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管主电路，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软起动器的控制框图如图1所示。

所谓“软起动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式：

（1）限流软起动：限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值（Im）的软起动方式。主要用在轻载起动的负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后在保持输出电流I这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整，（起动电流的限值Im必须根据电动机的起动转矩来设定，Im设置过小，将会使起动失败或烧毁电机。）对电网电压影响小。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。

图1软起动器的控制框图

图2各种软起动波形图