中大容量电动机起动技术探讨

2023-02-15

电动机是经济建设中的一种重要的动力装置, 应用的行业也十分广泛, 如冶金、钢铁、石油、化工、水厂、电厂、机械加工等, 乎遍及所有的行业。近几年来, 随着经济的发展, 许多行业的生产规模越来越大, 使用电动机的数目也越来越多, 单机容量也越来越大。由于电动机直接起动时的冲击电流很大, 特别是大容量电动机直接起动会对电网及其他负载造成干扰甚至危害电网的安全运行。因而, 中大容量电机的起动一直是人们所关心的一个课题。

1 电动机传统起动

1.1 直接起动

直接起动就是将电动机定子三相绕组直接接到额定电压的电网上。这种起动方法最简单实用。对电动机而言也是起动转矩最大的起动方式, 因而它的起动时间最短, 是用户首先考虑到的起动方式。这种起动方式, 起动电流是额定电流的5~7倍。这么大的起动电流对于小容量的电机来说可以不作为主要考虑的因素, 但是对于中大容量电机来说, 有其难以克服的弊端。直接起动时, 电流可达上千安培, 将引起电网电压急剧下降, 影响电网其它设备的正常运行, 甚至引起电网失去稳定, 造成更大的事故;同时过大的起动电流在电动机定子线圈上产生很大的冲击力, 将会破坏绕组绝缘, 引起电动机故障, 大电流还会产生大量的焦耳热, 损伤绕组绝缘, 使电动机的使用寿命缩短;在停车时, 如果直接切断电源, 拖动系统会突然失去转矩, 依靠系统的摩擦转矩克服系统的惯性自由停车, 将给拖动系统带来诸多问题。

1.2 降压起动

当电动机功率大于电网容量或供电变压器所允许直接起动的值时, 就不宜采用直接起动, 而必须限制其起动电流, 减小大电流对电网的冲击。于是, 又发展出了通过降低电压来限制其起动电流的方式, 统称为降压起动。按不同工况, 有许多种降压起动方式:有Y-△起动、自耦变压器起动、电抗起动等。

(1) Y-△起动。

在电动机正常运行时其定子三相绕组是△连接时可采用Y-△降压起动, 也就是起动时定子绕组以Y型连接, 而起动一定时间后, 再将定子绕组切换成△连接, 这时起动电流 (对电网的冲击电流) 为直接起动时的1/3, 起动转矩也为直接起动时的1/3。该方法起动转矩小, 起动时间长, 在进行定子绕组Y-△切换时, 仍然有二次冲击电流存在。

(2) 自耦变压器起动。

起动时电网电压经自耦变压器降压后再加到电动机定子绕组上, 待转速接近稳定值时再把电动机直接接在电网上。虽然降压起动减小了起动电流, 但它们在起动过程即将结束时有二次冲击电流, 该冲击电流同样会给配电系统带来不良影响, 同时降压起动所采用的起动器大多为自耦变压器。这些起动器要耗用大量有色金属体积笨重, 而且接触器触头需要经常维修。

(3) 电抗器起动。

串接电抗器起动是将电抗器串联到电动机定子绕组上, 以限制电机电流, 待转速接近稳定时再将电动机直接接到电网上。在起动过程中电机电流会随着转速增高而减少, 这使起动后劲不足, 较易产生起动失败和器件损坏, 起动结束时电抗器的短接还会引起二次电流冲击。

虽然, 降压起动方式相比直接起动方式, 产生的冲击电流明显减少, 然而也存在着明显的缺点, 即起动过程中存在严重的二次冲击电流。近年来, 软起动装置得到了很大发展, 涌现了许多种的软起动方式, 是传统起动方式的理想替代品。

2 电动机软起动

2.1 磁控式软起动器

磁控软起动是从电抗器起动衍生出来的。其与电抗器起动的主要不同点是其等效电抗值可控, 通过调节饱和电抗器S R (Saturable Reactor) 的直流励磁电流, 可以连续改变其电抗。饱和电抗器在软起动中的作用是:在起动开始时, SR具有较大的电抗值, 以限制电机电流, 以后通过反馈减小其电抗值以维持电流恒定, 软起动完成时, 由于电抗值相当小, 旁路饱和电抗器几乎不产生二次电流冲击, 所以磁控软起动克服了电抗器起动的缺点。当然磁控软起动器也存在一定的缺点:相比其它软起动器, 它的控制快速性比较差, 噪声较大, 饱和电抗器等效电抗值的变化范围较小, 饱和电抗器周围存在一定的漏磁, 需要一定的辅助电源。

2.2 电子软起动器

采用三对反并联的大功率晶闸管串联于电动机的三相供电电路上, 利用晶闸管的电子开关特性, 通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间, 从而改变电动机定子输入电压, 以控制电动机的软起动过程。当电动机起动完成后, 即端电压升至额定电压时, 三相旁路接触器K闭合, 使电动机直接并网运行。起动时, 晶闸管的导通角从0°开始上升, 逐渐增大;电动机的端电压也从零开始上升, 直至达到满足起动转矩要求, 保证起动成功。另外运用不同的设定方法, 使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化, 就可以实现恒流软起动、轻载节能运行、软停车、快速停止和保护、监控等不同的控制功能。

2.3 变频软起动器

变频软起停是以变频器实现的电动机软起动和软停止。变频器的作用不是调速, 而是软起停。它仅仅在电动机起动或停止时运行。变频软起停相对于一切形式降压软起停的优点是在限流软起停过程中保持不小于电动机额定值的起动转矩。由于可以将电动机起动电流始终限制在额定值以下, 所以对电网和电动机的冲击很小电磁转矩大, 起动时间短。变频软起动是交流电动机最理想的起动方式。由于频率、电压按比例平滑上升, 在起动过程中不存在大的转差功率, 因此可实现额定电流起动, 消除了起动冲击, 避免了起动功耗, 且可控制起动速度, 是一种真正平滑的软起动方式。用变频器来起动电机, 其起动性能很好, 但由于高压变频器价格昂贵, 并且变频技术还处于发展阶段, 可靠性不是很好, 用户维护技术还跟不上, 所以还没有广泛使用, 一般都在进口设备上采用。

3 电动机软起动方式的优势

电动机的传统起动方式都有明显的缺点。如图1所示, 软起动相比非软起动方式有如下优势。

(1) 无冲击电流和过电压。软启动器在起动电动机时, 通过逐渐增大晶闸管导通角, 使电动机起动电流从零线性上升至设定值, 而不会出现直接起动的过电压和降压起动的二次冲击电流。

(2) 恒流起动。软启动器引入电流闭环控制, 使电动机在起动过程中保持恒流, 确保电动机平稳起动。

(3) 根据负载情况及电网继电保护特性选择, 可自由地无极调整至最佳的起动电流。

4 结语

电动机的起动方式多种多样, 随着技术的不断进步, 新的方式也越来越多的涌现出来。中大容量电动机软起动技术在工业生产中有着十分广阔的应用前景, 特别是随着我国科学技术和经济建设的快速发展, 对电动机的控制机理和技术指标的要求越来越高, 而传统起动方式由于其固有的特点, 已无法满足现代工业自动化的需要, 所以电动机软起动技术应用将会越来越广泛。

摘要：对中大容量电动机的各种起动方式进行了总结, 详细地分析了各种起动方法的优缺点, 指出软起动技术在多方面优于传统的起动技术, 具有很好的发展前景。

关键词：电动机,起动技术