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異步電動機的起動技術問題分析

摘 要:介紹了異步電動機的起動方式及其不足,重點敘述了軟起動技術的工作原理、優點和應用。
關鍵詞:異步電動機;起動技術;軟起動技術

1 異步電動機的直接起動限制

異步電動機的直接起動方式也受到許多限制,主要表現在下列三個方面:
(1)起動電流可大到電動機額定電流的4-7倍,部分國產電動機的起動電流實際測量甚至高達8-12倍。如果直接起動較大的電動機,過大的起動電流將造成電網電壓顯著下降,影響同一電網其它電氣設備和電子設備的正常運行,嚴重時將使部分設備因電壓過低而退出運行,甚至使電力線路繼電保護裝置過流保護動作而跳閘,使線路供電中斷。
(2)直接起動會使被拖動的工作機械受到機械性沖擊,對于水泵性負載來說,過高的起動轉矩對葉片、軸承、拍門等造成軟性損傷及硬性損傷是較為常見的,甚至會因水流對管道的沖擊力過大而產生嚴重的水錘效應損壞設備。
(3)直接起動要求供電變壓器容量較大,而對農田排灌泵站供電的變壓器容量往往達不到直接起動對電網容量的要求。

2 異步電動機的降壓起動方式

在不允許直接起動的情況下,就要采用降壓起動的起動方式,即降低電動機端電壓進行起動。降壓起動一般有星/三角起動,定子電路中串接電阻、電抗器起動,自耦變壓器降壓起動及軟起動等方法。
(1)星形/三角形起動器是降壓起動器中結構最簡單、成本最低的一種,然而它的性能受到限制,主要表現在:
①無法控制電流和轉矩下降程度,這些值是固定的,為額定值的1/3。
②當起動器從星形接法切換到三角形接法時,通常會出現較大的電流和轉矩變動。這將引起機械和電氣應力,導致經常性故障的發生。
(2)自耦變壓器式起動器比星形/三角形起動器提供了更多的控制手段,可以通過變壓器抽頭改變I段起動電壓(典型為65%和80%兩擋起動分接頭)。然而它的電壓是分級升高的,所以其性能受如下限制:
①電壓的階躍性變化(分級轉換時產生)引起較大的電流和轉矩變動,同星形/三角形起動器性能限制“2”一樣會導致機械、電氣經常性故障的發生。
②有限的輸出電壓種類,限制了理想起動電流的選擇。因為自耦變壓器式起動器控制是使用較額定電壓低的電壓級別進行降壓起動,它控制的電機參數為電壓而非電流,所以當電網電壓波動及負載變化時,起動電流曲線將顯著偏離設計理想曲線,從而惡化起動性能,設備在較差的工況下將大大縮短使用壽命,增加維護成本。
(3)電阻式起動器也能提供比星形/三角形起動器更好的起動控制。然而它同樣有一些性能、使用上的限制,包括:
①起動特性很難優化。原因是制造起動器時電阻值是確定的,在使用中很難改變,雖然可以通過轉換分接頭來進行分級起動,但當級數較多時,勢必增加控制系統的復雜性,而制造成本、故障率也將隨之大幅度提高,所以一般電阻式起動器均在2-5級間。這樣,加在電動機定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數在分級起動時仍有很大的波動。
②頻繁起動場合下的起動特性不好。原因是在起動過程中電阻值會隨著電阻的溫度變化,在停止到再起動過程中需經長時間冷卻過程。
③負載較大或起動時間較長的場合下的運行特性變壞,原因是電阻值隨著電阻器溫度的變化而變化。
④在負載大小經常變化的應用場合(如排灌站水位落差變化較大),電阻式起動器不能提供理想的起動效果。
(4)軟起動技術。
軟起動技術是在晶閘管斬波技術的基礎上發展起來的,利用晶閘管斬波技術進行工頻電壓調節。在50Hz正弦波每個半周內固定時間(過零延時t1)給晶閘管VT1門極以一個觸發脈沖,則根據晶閘管特性,在觸發脈沖結束后,晶閘管將在半周內剩余時間維持導通,直至電壓再次過零,這樣只要調節VT1觸發脈沖出現的時間,則輸出電壓u0將會在0-100%輸入電壓(ui)內得到調節。如果將晶閘管斬波調壓技術應用于三相電源,再加入現代電子技術如單片機控制技術等即可制成軟起動器,從而在大型交流異步電動機的起動上得以應用。

3 軟起動技術的應用

在線式控制軟起動系統和旁路切換式軟起動系統。在線式控制軟起動系統采取“一帶一”方式,即每一臺負載電動機的起動由相應的軟起動器來完成,選用長期工作制的軟起動器,可以對電動機實現起動—運行—停止的全過程控制,并且主接線及控制系統均很簡捷。
旁路切換式軟起動系統是多臺電動機共用同一臺軟起動器。當一臺電動機起動完成后,旁路接觸器吸合將電動機轉為電網供電脫開軟起動器直接運行,這樣軟起動器在完成一臺電動機的起動后可以再控制另一臺電動機的起動。旁路切換式軟起動系統在控制電動機臺數較多時可以大大降低系統成本,而且軟起動器均工作在短時工作制,可以大大降低軟起動器的故障率,唯一不足的是增加了主接線及整個系統的復雜性。
隨著科技水平的發展,對電動機的控制機理和技術指標要求越來越高,傳統的降壓起動設備已無法滿足各行業的需要。近年來,隨著軟起動設備逐步國產化,將使軟起動技術的應用成為今后大型鼠籠型異步電動機起動方式的主流,并將最終取代傳統的起動方式,在排灌站水泵控制上得到全面的推廣。

參考文獻
[1]周成禮.應用于交流異步起動電機的L源逆變器研究[D].南京航空航天大學,2008.

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