交流異步電機(jī)軟起動(dòng)及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)研究

(a)限流起動(dòng)(b)電壓斜坡起動(dòng)(c)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)

(d)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)(e)電壓控制起動(dòng)

(2)電壓斜坡起動(dòng)：輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)，主要用在重載起動(dòng)。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對(duì)起動(dòng)不利，且起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)：輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達(dá)到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對(duì)較大，但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于重載起動(dòng)的電機(jī)。

(3)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)：主要用在重載起動(dòng)，它是按電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)：轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，使用時(shí)應(yīng)特別注意。

(5)電壓控制起動(dòng)：電壓控制起動(dòng)是用在輕載起動(dòng)的場(chǎng)合，在保證起動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式。各種軟起動(dòng)方式的相應(yīng)起動(dòng)曲線見(jiàn)圖2。

停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動(dòng)停車。軟起動(dòng)器帶來(lái)的最大好處是軟停車和制動(dòng)停車，軟停車消除了拖動(dòng)系統(tǒng)的反慣性沖擊，對(duì)于水泵就是“水錘”效應(yīng)；制動(dòng)停車則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車功能。

2．4軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的性能比較見(jiàn)表1。

2．5軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合

(1)生產(chǎn)設(shè)備精密，不允許起動(dòng)沖擊，否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合；

(2)電動(dòng)機(jī)功率較大，若直接起動(dòng)，要求主變壓器

產(chǎn)品主要性能	數(shù)字式軟起動(dòng)器	磁控降壓起動(dòng)器	自耦降壓起動(dòng)器
起動(dòng)特性	軟特性：用戶可以調(diào)整	特性較硬：不能調(diào)整	硬特性：不能調(diào)整
起動(dòng)電流特性曲線
起始電壓	0～380V任意可調(diào)	200V左右：用戶不能調(diào)整	250V左右：用戶不能調(diào)整
起動(dòng)沖擊電流	無(wú)	1次，約為電機(jī)額定電流IN的6倍	2次，約為電機(jī)額定電流IN的7倍
起動(dòng)電流	(0.5～4)IN，用戶可視負(fù)載輕重調(diào)整	(2～3)IN以上，不能調(diào)整	(3～5)IN以上，不能調(diào)整
電機(jī)轉(zhuǎn)矩特性	沒(méi)有沖擊轉(zhuǎn)矩，力矩勻速平滑上升	1次沖擊轉(zhuǎn)矩后，力矩勻速平滑上升	力矩跳躍上升，有2次沖擊轉(zhuǎn)矩
負(fù)載適應(yīng)能力	強(qiáng)	一般	較差
能否頻繁起動(dòng)	可以	一般不能	一般不能
起動(dòng)方式	限流軟起動(dòng)或電壓斜坡起動(dòng)任選	區(qū)域恒流軟起動(dòng)	分段式恒壓起動(dòng)
執(zhí)行元件	電力電子器件	磁飽和電抗器（磁放大器）	自耦變壓器
控制元件和控制方式	16位高性能單片計(jì)算機(jī)模糊控制	繼電器及普通電子元件繼電電子控制	繼電器繼電控制
整機(jī)重量/體積	輕/小	較重/較大	重/大
外接電纜數(shù)量	6根（3進(jìn)、3出）	6根或9根（130kW以上為：3進(jìn)、6出）	6根（3進(jìn)、3出）

表1軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較

容量加大的場(chǎng)合；

(3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格，對(duì)壓降要求≤

10％UN的供電系統(tǒng)；

(4)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，可進(jìn)行空載或輕載起

動(dòng)的設(shè)備。

嚴(yán)格地講，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩50％的拖動(dòng)系統(tǒng)，才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng)沖擊問(wèn)題。對(duì)于需重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備，若采用軟起動(dòng)器起動(dòng)，不但達(dá)不到減小起動(dòng)電流的目的，反而會(huì)要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量，增加成本；若操作不當(dāng)，還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因?yàn)檐浧饎?dòng)器調(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差功率始終存在，難免產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流；而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟起動(dòng)，且可提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，特別適用于重載起動(dòng)的設(shè)備。但是變頻器的價(jià)格要比軟起動(dòng)器的價(jià)格高得多了。

3異步電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和優(yōu)化節(jié)電控制技術(shù)

3．1異步電動(dòng)機(jī)降壓節(jié)電技術(shù)概述

對(duì)于滿載或重載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，降低其端電壓將會(huì)造成嚴(yán)重后果，隨著端電壓的降低，電動(dòng)機(jī)的磁通和電動(dòng)勢(shì)隨之減小，鐵耗無(wú)疑將下降。但與此同時(shí)，隨電壓平方變化的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)只能依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達(dá)到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率的增大，引起轉(zhuǎn)子電流增大，同時(shí)引起定子和轉(zhuǎn)子電壓間的相角增大，導(dǎo)致定子電流增大，從而使定子和轉(zhuǎn)子銅耗增加值大大超過(guò)鐵耗的下降值，這時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組溫升將會(huì)增高，效率將會(huì)下降，甚至發(fā)生電動(dòng)機(jī)燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)電壓變化范圍不得超過(guò)額定電壓的95％～110％。

然而對(duì)于輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，情況就截然不同，使供電電壓適當(dāng)降低，在經(jīng)濟(jì)上是有利的。這是因?yàn)樵谳p載運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，在降壓運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流增加的數(shù)值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)的總損耗就可降低，定子溫升，運(yùn)行效率和功率因數(shù)同時(shí)得到改善。由此可見(jiàn)，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率同運(yùn)行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動(dòng)機(jī)的力能指標(biāo)（運(yùn)行效率與功率因數(shù)）與其端電壓之間存在如下的數(shù)量關(guān)系[2]：cosφ=(1)η=（2）

式中：SN和S為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的轉(zhuǎn)差率；cosφN和cosφ為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的功率因數(shù)；

ηN和η為電動(dòng)機(jī)額定工況和降壓運(yùn)行的效率；

KU為電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓系數(shù)，KU=U/UN（UN和U為電動(dòng)機(jī)額定電壓和降壓運(yùn)行時(shí)的實(shí)際電壓）；

KI為電動(dòng)機(jī)的空載電流系數(shù)，KI=IO/IN（IN和

IO為電動(dòng)機(jī)的額定電流和空載電流）。

從式（2）不難看出：并不是所有的降壓行為都能達(dá)到節(jié)電的目的，只有當(dāng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時(shí)，才能使運(yùn)行效率提高。實(shí)際上，電動(dòng)機(jī)效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線，對(duì)應(yīng)于每一個(gè)輸出功率（或負(fù)載系數(shù)），必然存在一個(gè)最佳調(diào)壓系數(shù)KUm，當(dāng)KU=KUm時(shí)，電動(dòng)機(jī)的損耗最低，效率最高。KUm稱為電動(dòng)機(jī)的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負(fù)載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm可按電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)β由下式確定[1]：KUm=(3)

式中：ΣPN為電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的有功損耗（kW）；

PO為電動(dòng)機(jī)的空載損耗（kW）；

K為計(jì)算系數(shù)，K=（PO－Pfw）/ΣPN〔Pfw為電

動(dòng)機(jī)的機(jī)械損耗（kW）〕；

β為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載系數(shù)，β=(P2/PN)·100％

（P2為電動(dòng)機(jī)的輸出功率，PN為電動(dòng)機(jī)的

額定功率）。

文獻(xiàn)[1]給出了輕載電動(dòng)機(jī)采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)約電能的計(jì)算公式為：

節(jié)約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN－PO)β2(1－1/KU2)＋ΣPN(1－KU2)(4)

節(jié)約的無(wú)功功率ΔQ為：ΔQ=(QN－QO)β2(1－)＋QO(1－KU2)(5)

式中：QN為電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)的無(wú)功功率（kvar）；

QO為電動(dòng)機(jī)的空載無(wú)功功率（kvar）。

節(jié)約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP＋KQΔQ)(6)

式中：KQ為無(wú)功經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，當(dāng)電動(dòng)機(jī)直連電機(jī)母線

KQ=0.02～0.04，二次變壓取KQ=0.05～

0.07，三次變壓取KQ=0.08～0.10；

Tec為電動(dòng)機(jī)年運(yùn)行時(shí)間（h）。

3．2優(yōu)化節(jié)電的控制依據(jù)

(1)功率因數(shù)（cosφ）控制法

最早出現(xiàn)的異步電機(jī)優(yōu)化節(jié)電器為Nolacosφ功率因數(shù)控制器,其原理是通過(guò)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的cosφ值，與預(yù)先設(shè)定的基準(zhǔn)值比較，當(dāng)實(shí)際值低于設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)為輕載，通過(guò)降低電動(dòng)機(jī)的端電壓來(lái)提高cosφ，直到實(shí)際的cosφ測(cè)量值達(dá)到設(shè)定值為止，實(shí)現(xiàn)了節(jié)電；cosφ數(shù)值高表明是重載，則升高電機(jī)端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節(jié)電法：控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)，而目的是節(jié)電。由于交流異步電機(jī)的最佳功率因數(shù)在全工作范圍內(nèi)呈曲線變化；不同制造廠生產(chǎn)的同一規(guī)格的異步電機(jī)的功率因數(shù)呈一定的離散性；同一臺(tái)電機(jī)在其壽命期不同階段，在同一工況下的功率因數(shù)也呈現(xiàn)一定的離散性，這就給設(shè)計(jì)和調(diào)整帶來(lái)一定的困難。故這種方法不能達(dá)到最佳節(jié)電效果，并且理論與實(shí)踐都已證明，過(guò)高的功率因數(shù)值對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，并不節(jié)電。

（2）最小輸入功率法

交流異步電機(jī)工作時(shí)，從電網(wǎng)輸入的電功率P1，一部分轉(zhuǎn)換成電機(jī)軸上的機(jī)械功率P2輸出，另一部分則是自身的損耗PS，包括鐵耗與銅耗兩部分。其中鐵耗與輸入電壓的平方成正比，而銅耗則與其電流的平方成正比，只有在銅耗等于鐵耗時(shí)，電機(jī)的效率最高，損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機(jī)工作的任一負(fù)載點(diǎn)上，在保證軸上機(jī)械功率輸出的前提下，通過(guò)降低電機(jī)的端電壓而減小電機(jī)自身的損耗，從而達(dá)到節(jié)能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當(dāng)電壓降到一定程度之后，若繼續(xù)下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗。通過(guò)微機(jī)自動(dòng)尋優(yōu)，讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平，也即電壓與電流的乘積——輸入的電功率達(dá)到最小值，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的。