韓歡慶

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：軟啟動(dòng)的調壓模塊一般由三相反并聯(lián)晶閘管組成，可以通過(guò)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(dòng)進(jìn)行概述，分析了軟啟動(dòng)的原理和特性，介紹了軟啟動(dòng)系統構成及作用，同時(shí)分析了軟啟動(dòng)技術(shù)的*性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機；軟啟動(dòng)控制技術(shù)；晶閘管

      傳統電動(dòng)機啟動(dòng)，對電力系統的各個(gè)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，從而影響電力系統的安全運轉，直接影響電網(wǎng)中的其余電氣設施運轉狀態(tài)。如此大的電流不但加重了輸入線(xiàn)路、供電網(wǎng)和電機前方的開(kāi)關(guān)設施的負載，巨大的轉矩沖擊導致電機產(chǎn)生劇烈的脈沖。還給用于動(dòng)力傳遞的輔助設施，如三角帶、傳動(dòng)機構和用于動(dòng)力傳遞的機械設備帶來(lái)了機械沖擊，并且無(wú)法避免。

      電動(dòng)機頻繁使用，再加上它直接啟動(dòng)帶來(lái)的各種危害，一種新的啟動(dòng)方式——軟啟動(dòng)應運而生，如今軟啟動(dòng)已廣泛應用到各個(gè)領(lǐng)域，與傳統啟動(dòng)方式相比具有很多優(yōu)勢，而且軟啟動(dòng)也分為各種啟動(dòng)的方式，各種方式應用于不同的領(lǐng)域，比如輕載，重載。同時(shí)，軟啟動(dòng)所用材料也各有不同，不同的軟啟動(dòng)材料也有不同的特點(diǎn)，也有各種不同的利弊。因為電機的問(wèn)題，造成工廠(chǎng)出現事故，直接或者間接導致經(jīng)濟重大的損失。

      由此可以看出，電動(dòng)機既是為數眾多，廣泛應用的動(dòng)力設備，同時(shí)又是國民經(jīng)濟的薄弱環(huán)節，電動(dòng)機的研究保護設計以及正確的使用，對于國民經(jīng)濟有著(zhù)較重要的意義。

1.1啟動(dòng)過(guò)程

      異步電動(dòng)機在社會(huì )的各個(gè)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用，各個(gè)行業(yè)如工業(yè)、農業(yè)、交通運輸業(yè)，都少不了異步電動(dòng)機，可見(jiàn)它在日常生活中對人們的重要性。

      電動(dòng)機的電壓和電流呈正比，所以要把電壓全加到定子上的話(huà)可以減輕啟動(dòng)電流過(guò)大的沖擊，這就是降壓?jiǎn)?dòng)。一般降壓?jiǎn)?dòng)的時(shí)候，在這樣的情況下，它們的數值都不會(huì )很高：就是啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉矩在電壓的情況下，一同增加，一同減小。像這樣的情況，更適合需求啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉矩都不高的場(chǎng)合。

      為了更加便利，可以采用這樣的辦法：在電機啟動(dòng)時(shí)，為了避免造成諧波過(guò)大，首先可以采用星型連接的方式，在啟動(dòng)完成后把電路連接方式轉換成三角形連接。異步電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)要注意：?jiǎn)?dòng)需要的設備不要復雜，要簡(jiǎn)單，操作要方便；電動(dòng)機要有特別大的啟動(dòng)轉矩；啟動(dòng)轉矩相同的情況下，啟動(dòng)電流小的越適合人們應用，功率損耗越小的越受到廣泛應用。轉矩和啟動(dòng)電流是電機啟動(dòng)時(shí)的兩個(gè)重要參數，要兼顧這兩個(gè)方面來(lái)控制電動(dòng)機的啟動(dòng)。

三相異步電動(dòng)機的電機的磁場(chǎng)與靜止轉子相對運動(dòng)后，轉子的電流和感應電動(dòng)勢在變大，定子也是如此。但是，過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì )導致電壓下降，電壓下降過(guò)大會(huì )直接影響電網(wǎng)電力設備的運行。如果電壓降低，會(huì )使啟動(dòng)轉矩無(wú)法達到需要的轉矩，即使啟動(dòng)時(shí)間再長(cháng)也會(huì )失敗。因而，使用大型變壓器的場(chǎng)所，小容量的三相異步電機方便啟動(dòng)。

1.2啟動(dòng)方法

1.2.1直接啟動(dòng)

      直接啟動(dòng)方式如果頻繁地啟動(dòng)電機，就會(huì )造成電壓降低，會(huì )導致電網(wǎng)電壓降低，從而電網(wǎng)中的設備正常運行受到影響，有時(shí)可能無(wú)法啟動(dòng)或終止負載[3]。直接啟動(dòng)應盡量避免電壓下降，否則一定會(huì )無(wú)法完成啟動(dòng)并帶來(lái)不好的影響，電機無(wú)法正常的啟動(dòng)會(huì )影響整個(gè)電力系統的運行。

1.2.2傳統減壓?jiǎn)?dòng)

      根據電壓幅度的大小能不能連續可調，可以分為分步調壓和逐級調壓。分級電壓調節是把電壓分成幾個(gè)層次，用較低的電壓水平啟動(dòng)電動(dòng)機，并在起動(dòng)的過(guò)程中逐漸變大電壓幅值，一直到電動(dòng)機啟動(dòng)。

1.2.3軟啟動(dòng)

      三相反并聯(lián)晶閘管以星型方式連接，這樣的電流不會(huì )四處流動(dòng)，四處流動(dòng)會(huì )導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(huì )導致電路中的諧波變大，損耗增加。啟動(dòng)完成后，三相晶閘管的旁路接觸器會(huì )吸和，以免造成不必要的功率損失。這樣軟啟動(dòng)的方式性能好，啟動(dòng)方式平緩，方便于控制，方便于管理電流，缺點(diǎn)就是諧波大。

2.1軟啟動(dòng)的工作原理

      晶閘管軟啟動(dòng)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(shí)現了異步電機的軟啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，三相晶閘管部分被短路，以免浪費功率。軟啟動(dòng)之所以用三相反并聯(lián)晶閘管，是因為軟啟動(dòng)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(shí)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(dòng)機，保證了良好的啟動(dòng)效果和高的效率。

      三角形連接法的三次諧波可以流動(dòng)，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(dòng)方式是星形連接，諧波少。工作時(shí)，需要不同的兩相正反相同時(shí)導通才可以。同時(shí)應注意繞組之間的相位關(guān)系，無(wú)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(dòng)的控制方式

2.2.1斜坡電壓?jiǎn)?dòng)

      電壓斜坡屬于開(kāi)環(huán)控制，自調節能力差。啟動(dòng)時(shí)間長(cháng)，無(wú)限流環(huán)節，啟動(dòng)中期電流較大，對設施構成損壞，對電網(wǎng)電能品質(zhì)影響較大。此外，由于控制參數比較單一，控制參數通常由經(jīng)驗選擇，動(dòng)態(tài)效果不好。不管初始電壓以怎樣的線(xiàn)性斜度上升至額定電壓，上升至額定電壓后，都將保持穩定，上升的樣子就像個(gè)斜坡一樣，又叫斜坡電壓?jiǎn)?dòng)。無(wú)論初始電壓以怎樣的斜率上升，終達到額定電壓就會(huì )趨于平穩，以此來(lái)保證電動(dòng)機的順利運行。但斜坡電壓?jiǎn)?dòng)無(wú)反饋系統，這樣不好控制，在此啟動(dòng)過(guò)程中，啟動(dòng)方法效果單一，只有控制電壓才能啟動(dòng)。

2.2.2限流啟動(dòng)

      如果電流限制設置得小，啟動(dòng)轉矩就會(huì )很小，從而無(wú)法啟動(dòng)。因為這種方法的啟動(dòng)轉矩不高，輕載情況更適用于限流啟動(dòng)，電流先以線(xiàn)性上升，到上限電流后平穩，直到達到額定電壓，再恢復至額定電流，啟動(dòng)成功。啟動(dòng)成功后，電流值會(huì )從維持了一會(huì )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(dòng)，而啟動(dòng)成功后，則不需要電流如此之大，就會(huì )逐漸下降到額定電流。這樣的啟動(dòng)方式，避免了配置的損壞，而上限電流雖然維持了一會(huì )但不會(huì )對設備造成太大的影響。

2.2.3轉矩斜坡啟動(dòng)

      轉矩斜坡啟動(dòng)，轉矩曲線(xiàn)的設置應始終大于負載轉矩，并且速度不斷增加。后，將設定轉矩曲線(xiàn)與異步電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)的輸出曲線(xiàn)進(jìn)行比較，并依據誤差對晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調整。大型泵電機場(chǎng)合適合用轉矩斜坡啟動(dòng)。大型泵電機多用大型磁鐵，而磁鐵能提供電磁轉矩，由于電磁轉矩較大，因此，轉矩斜坡啟動(dòng)更適合大型泵電機啟動(dòng)。因為負載屬于耗能器件，如果給的動(dòng)力小于消耗的動(dòng)力，則無(wú)法提供給電動(dòng)機應有的動(dòng)力，就會(huì )無(wú)法啟動(dòng)。而隨著(zhù)初始轉矩到達額定轉矩，電機達到額定轉速，初始轉矩就可以下降了，同時(shí)負載轉矩慢慢提高。

      三相異步電機軟啟動(dòng)工作原理中的交流調壓模塊是由三相反并聯(lián)晶閘管組成，控制方式有很多種，都是為了轉矩達到額定轉矩來(lái)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(dòng)效果實(shí)現啟動(dòng)。

      電動(dòng)機軟啟動(dòng)系統模塊如圖2所示。三相交流電源下有同步電壓檢測模塊，電動(dòng)機接有電流檢測模塊，SCR驅動(dòng)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(pán)輸入模塊，并且和RS485以太網(wǎng)進(jìn)行信息互相交流。其詳細工作過(guò)程如下：LPC2378通過(guò)檢測起動(dòng)接觸器的返回信號，了解電動(dòng)機需要軟起動(dòng)。當晶閘管觸發(fā)角和啟動(dòng)時(shí)間小于閾值時(shí)，旁路啟動(dòng)器閉合，并斷開(kāi)啟動(dòng)接觸器，使得電機與電網(wǎng)相連。這樣保證了系統能源的充分利用，使啟動(dòng)后的電力資源直接供應給電機，這樣不僅方便了供電，還提升了電網(wǎng)設備的耐用性，這種方法為多數電廠(chǎng)設備所采用。三相晶閘管可以控制觸發(fā)角度，所以啟動(dòng)時(shí)比較平滑，是連續的，便于啟動(dòng)調節。

      1）功率單元：主要由六個(gè)晶閘管組成，每相由兩個(gè)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(dòng)后的旁路軟起動(dòng)器。并聯(lián)電容是為了濾波。

      2）檢測單元：三相電壓經(jīng)調節電路饋入控制器A/D通道，用于電壓監測、過(guò)壓、欠壓保護等。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(shí)進(jìn)入A/D通道，并饋入控制器計算電機的功率因數角。

      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(shí)現驅動(dòng)，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(dòng)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、運行參數和故障信息檢測顯示，還有鍵盤(pán)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)的功能與應用。

      文章對系統的硬件部分做了分析與應用，同時(shí)對硬件部分在系統中的應用做了介紹。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(gè)模塊，起到不同的作用。

4.1產(chǎn)品簡(jiǎn)介

      ARD該系列低壓電動(dòng)機保護器，具有過(guò)載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機起動(dòng)器等電器元件構成電動(dòng)機控制保護單元，具有遠程自動(dòng)控制、現場(chǎng)直接控制、面板指示、信號報警、現場(chǎng)總線(xiàn)通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、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(shuō)明：“√"表示具備“■"表示可選

 

      文章介紹了三相異步電機的各個(gè)方面，包括了它的啟動(dòng)過(guò)程、啟動(dòng)方法、硬件設計、軟件設計。在三相異步電機的啟動(dòng)過(guò)程中，應盡量避免電壓降，過(guò)大的啟動(dòng)電流，同時(shí)啟動(dòng)轉矩也應該列為重要的參數之一，不斷觀(guān)察啟動(dòng)轉矩，以免電動(dòng)機啟動(dòng)失敗。眾多啟動(dòng)方法中，應用參數用到了電壓、電流、電磁轉矩，這些都可以作為電機啟動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)的因素。今后電機的啟動(dòng)的發(fā)展方向會(huì )趨向節能，保護電機，效率高，耐用性高的方向，三相晶閘管應用更受大多數電機的應用，在以后的應用中應該加入一個(gè)快速熔斷器，防止在調壓的過(guò)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(dòng)控制系統研究與設計[J].電工技術(shù),2016(10):1-2.

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

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

      韓歡慶，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電動(dòng)機保護器的設計與應用