淺談三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制與保護(hù)

張娟

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011

摘  要：軟啟動(dòng)的調(diào)壓模塊一般由三相反并聯(lián)晶閘管組成，可以通過改變晶閘管的觸發(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(jī)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(tǒng)構(gòu)成及作用，同時(shí)分析了軟啟動(dòng)技術(shù)的優(yōu)越性和實(shí)用性。

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

0引言

      傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，對電力系統(tǒng)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(tǒng)的**運(yùn)轉(zhuǎn)，直接影響電網(wǎng)中的其余電氣設(shè)施運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。如此大的電流不但加重了輸入線路、供電網(wǎng)和電機(jī)前方的開關(guān)設(shè)施的負(fù)載，巨大的轉(zhuǎn)矩沖擊導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生劇烈的脈沖。還給用于動(dòng)力傳遞的輔助設(shè)施，如三角帶、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和用于動(dòng)力傳遞的機(jī)械設(shè)備帶來了機(jī)械沖擊，并且無法避免。

      電動(dòng)機(jī)頻繁使用，再加上它直接啟動(dòng)帶來的各種危害，一種新的啟動(dòng)方式——軟啟動(dòng)應(yīng)運(yùn)而生，如今軟啟動(dòng)已廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，與傳統(tǒng)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(yīng)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?yàn)殡姍C(jī)的問題，造成工廠出現(xiàn)事故，直接或者間接導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)重大的損失。

      由此可以看出，電動(dòng)機(jī)既是為數(shù)眾多，廣泛應(yīng)用的動(dòng)力設(shè)備，同時(shí)又是國民經(jīng)濟(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)的研究保護(hù)設(shè)計(jì)以及正確的使用，對于國民經(jīng)濟(jì)有著較重要的意義。

1三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制

1.1啟動(dòng)過程

      異步電動(dòng)機(jī)在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，各個(gè)行業(yè)如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)，都少不了異步電動(dòng)機(jī)，可見它在日常生活中對人們的重要性。

      電動(dòng)機(jī)的電壓和電流呈正比，所以要把電壓全加到定子上的話可以減輕啟動(dòng)電流過大的沖擊，這就是降壓啟動(dòng)。一般降壓啟動(dòng)的時(shí)候，在這樣的情況下，它們的數(shù)值都不會(huì)很高：就是啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩都不高的場合。

      為了更加便利，可以采用這樣的辦法：在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，為了避免造成諧波過大，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(zhuǎn)換成三角形連接。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)要注意：啟動(dòng)需要的設(shè)備不要復(fù)雜，要簡單，操作要方便；電動(dòng)機(jī)要有特別大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相同的情況下，啟動(dòng)電流小的越適合人們應(yīng)用，功率損耗越小的越受到廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流是電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的兩個(gè)重要參數(shù)，要兼顧這兩個(gè)方面來控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)。

三相異步電動(dòng)機(jī)的電機(jī)的磁場與靜止轉(zhuǎn)子相對運(yùn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)子的電流和感應(yīng)電動(dòng)勢在變大，定子也是如此。但是，過大的啟動(dòng)電流會(huì)導(dǎo)致電壓下降，電壓下降過大會(huì)直接影響電網(wǎng)電力設(shè)備的運(yùn)行。如果電壓降低，會(huì)使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩?zé)o法達(dá)到需要的轉(zhuǎn)矩，即使啟動(dòng)時(shí)間再長也會(huì)失敗。因而，使用大型變壓器的場所，小容量的三相異步電機(jī)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(jī)，就會(huì)造成電壓降低，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓降低，從而電網(wǎng)中的設(shè)備正常運(yùn)行受到影響，有時(shí)可能無法啟動(dòng)或終止負(fù)載[3]。直接啟動(dòng)應(yīng)盡量避免電壓下降，否則一定會(huì)無法完成啟動(dòng)并帶來不好的影響，電機(jī)無法正常的啟動(dòng)會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。

1.2.2傳統(tǒng)減壓啟動(dòng)

      根據(jù)電壓幅度的大小能不能連續(xù)可調(diào)，可以分為分步調(diào)壓和逐級調(diào)壓。分級電壓調(diào)節(jié)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(jī)，并在起動(dòng)的過程中逐漸變大電壓幅值，一直到電動(dòng)機(jī)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(dǎo)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(dǎo)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。

2三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)原理和控制方式

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(jī)兩端電壓。加在電機(jī)上的定子電壓逐漸升高額定電壓，實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)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(fèi)功率。軟啟動(dòng)之所以用三相反并聯(lián)晶閘管，是因?yàn)檐泦?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(jī)，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(dǎo)通才可以。同時(shí)應(yīng)注意繞組之間的相位關(guān)系，無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(jī)軟啟動(dòng)的控制方式

2.2.1斜坡電壓啟動(dòng)

      電壓斜坡屬于開環(huán)控制，自調(diào)節(jié)能力差。啟動(dòng)時(shí)間長，無限流環(huán)節(jié)，啟動(dòng)中期電流較大，對設(shè)施構(gòu)成損壞，對電網(wǎng)電能品質(zhì)影響較大。此外，由于控制參數(shù)比較單一，控制參數(shù)通常由經(jīng)驗(yàn)選擇，動(dòng)態(tài)效果不好。不管初始電壓以怎樣的線性斜度上升至額定電壓，上升至額定電壓后，都將保持穩(wěn)定，上升的樣子就像個(gè)斜坡一樣，又叫斜坡電壓啟動(dòng)。無論初始電壓以怎樣的斜率上升，終達(dá)到額定電壓就會(huì)趨于平穩(wěn)，以此來保證電動(dòng)機(jī)的順利運(yùn)行。但斜坡電壓啟動(dòng)無反饋系統(tǒng)，這樣不好控制，在此啟動(dòng)過程中，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(shè)置得小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就會(huì)很小，從而無法啟動(dòng)。因?yàn)檫@種方法的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不高，輕載情況更適用于限流啟動(dòng)，電流先以線性上升，到上限電流后平穩(wěn)，直到達(dá)到額定電壓，再恢復(fù)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(jī)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(shè)備造成太大的影響。

2.2.3轉(zhuǎn)矩斜坡啟動(dòng)

      轉(zhuǎn)矩斜坡啟動(dòng)，轉(zhuǎn)矩曲線的設(shè)置應(yīng)始終大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且速度不斷增加。后，將設(shè)定轉(zhuǎn)矩曲線與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的輸出曲線進(jìn)行比較，并依據(jù)誤差對晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行調(diào)整。大型泵電機(jī)場合適合用轉(zhuǎn)矩斜坡啟動(dòng)。大型泵電機(jī)多用大型磁鐵，而磁鐵能提供電磁轉(zhuǎn)矩，由于電磁轉(zhuǎn)矩較大，因此，轉(zhuǎn)矩斜坡啟動(dòng)更適合大型泵電機(jī)啟動(dòng)。因?yàn)樨?fù)載屬于耗能器件，如果給的動(dòng)力小于消耗的動(dòng)力，則無法提供給電動(dòng)機(jī)應(yīng)有的動(dòng)力，就會(huì)無法啟動(dòng)。而隨著初始轉(zhuǎn)矩到達(dá)額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，初始轉(zhuǎn)矩就可以下降了，同時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩慢慢提高。

      三相異步電機(jī)軟啟動(dòng)工作原理中的交流調(diào)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(zhuǎn)矩達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩來工作的。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(xiàn)啟動(dòng)。

3三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)

      電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)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(jī)接有電流檢測模塊，SCR驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)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(shù)角控制模塊發(fā)出信號(hào)，后32位ARM微處理器把信息投入到液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊，并且和RS485以太網(wǎng)進(jìn)行信息互相交流。其詳細(xì)工作過程如下：LPC2378通過檢測起動(dòng)接觸器的返回信號(hào)，了解電動(dòng)機(jī)需要軟起動(dòng)。當(dāng)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，并斷開啟動(dòng)接觸器，使得電機(jī)與電網(wǎng)相連。這樣保證了系統(tǒng)能源的充分利用，使啟動(dòng)后的電力資源直接供應(yīng)給電機(jī)，這樣不僅方便了供電，還提升了電網(wǎng)設(shè)備的耐用性，這種方法為多數(shù)電廠設(shè)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(xù)的，便于啟動(dòng)調(diào)節(jié)。

      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(diào)節(jié)電路饋入控制器A/D通道，用于電壓監(jiān)測、過壓、欠壓保護(hù)等。**種是利用檢測到的晶閘管電壓變換后的方波信號(hào)同時(shí)進(jìn)入A/D通道，并饋入控制器計(jì)算電機(jī)的功率因數(shù)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(xiàn)驅(qū)動(dòng)，是因?yàn)榫чl管觸發(fā)單元能與三相交流電源與三相異步電動(dòng)機(jī)相連。

      4）外圍拓展單元：這些單元包括信號(hào)處理、信號(hào)隔離、功率放大、運(yùn)行參數(shù)和故障信息檢測顯示，還有鍵盤輸入電路等。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(yīng)用。

      文章對系統(tǒng)的硬件部分做了分析與應(yīng)用，同時(shí)對硬件部分在系統(tǒng)中的應(yīng)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(hào)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安科瑞ARD系列智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器介紹與綜合選型

4.1產(chǎn)品簡介

      ARD該系列低壓電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能?？膳c接觸器、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器等電器元件構(gòu)成電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元，具有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制、現(xiàn)場直接控制、面板指示、信號(hào)報(bào)警、現(xiàn)場總線通信等功能。應(yīng)用范圍：可廣泛應(yīng)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

說明：“√”表示具備“■”表示可選

 

5結(jié)束語

      文章介紹了三相異步電機(jī)的各個(gè)方面，包括了它的啟動(dòng)過程、啟動(dòng)方法、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)。在三相異步電機(jī)的啟動(dòng)過程中，應(yīng)盡量避免電壓降，過大的啟動(dòng)電流，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也應(yīng)該列為重要的參數(shù)之一，不斷觀察啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以免電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)失敗。眾多啟動(dòng)方法中，應(yīng)用參數(shù)用到了電壓、電流、電磁轉(zhuǎn)矩，這些都可以作為電機(jī)啟動(dòng)過程中啟動(dòng)的因素。今后電機(jī)的啟動(dòng)的發(fā)展方向會(huì)趨向節(jié)能，保護(hù)電機(jī)，效率高，耐用性高的方向，三相晶閘管應(yīng)用更受大多數(shù)電機(jī)的應(yīng)用，在以后的應(yīng)用中應(yīng)該加入一個(gè)快速熔斷器，防止在調(diào)壓的過程中晶閘管的損壞。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬勇,陶玉麒,蔡桂民.基于 DSP 的電機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù),2016(10):1-2.

[2]劉攀，梁里鵬.三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制技術(shù)研究[J].機(jī)電技術(shù)應(yīng)用，2020(04):165-166.

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2020.06版.

作者簡介：

  張娟，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)機(jī)保護(hù)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用