- 軟起動器的工作原理
- 軟起動方法
- 重載起動
- 限流軟起動
- 電壓斜坡起動
- 轉(zhuǎn)矩控制啟動
傳統(tǒng)的交流異步電動機(jī)有全壓和降壓兩種起動方法．前者最簡便，但起動電流大；而在大多數(shù)應(yīng)用中多采用后者。這兩種軟起動具有控制線路簡單，起動轉(zhuǎn)矩不可調(diào)，二次沖擊電流，并對負(fù)載有沖擊轉(zhuǎn)矩。隨著微處理器和單片機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)字控制在交流調(diào)速系統(tǒng)中也取得了快速發(fā)展，使得電動機(jī)軟起動也有長足發(fā)展。
2 軟起動器的工作原理
軟起動有磁控降壓軟起動器和電子軟起動器。其中，磁控降壓軟起動采用控磁限幅調(diào)壓方式減壓調(diào)控電動機(jī)起動時(shí)的電壓，實(shí)質(zhì)就是電抗器降壓起動。電子軟起動器有晶閘管調(diào)壓軟起動和變頻器調(diào)速軟起動。晶閘管調(diào)壓軟起動器的主回路采用6只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成的調(diào)壓電路，并焊接于電動機(jī)的三相供電線路。當(dāng)起動器的微機(jī)控制系統(tǒng)接收到起動指令后進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導(dǎo)通角起動器按所設(shè)定的模式調(diào)節(jié)輸出電壓，從而控制電動機(jī)的起動。當(dāng)電動機(jī)起動完成后，起動器吸合旁路線接觸器，使晶閘管短路，電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的電能損耗。圖1為電子軟起動器控制框圖。
用電子式軟起動器起動電動機(jī)時(shí)，不僅實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)起動過程中無沖擊而且平滑地起動電動機(jī)，還可根據(jù)電動機(jī)負(fù)載特性調(diào)節(jié)起動過程中的參數(shù)，如限流值、起動時(shí)間等。電子軟起動與其他傳統(tǒng)起動方式相比，具有良好的軟起動能力，它既能保證電動機(jī)在負(fù)載要求內(nèi)起動特性下平滑起動，又能降低對電網(wǎng)的沖擊；而與磁控式軟起動相比較，從起動電流特性曲線及其他特性可以看出電子軟起動裝置優(yōu)于磁控式軟起動裝置。
3 軟起動方法
3．1 限流軟起動
限流軟起動主要用于輕載起動的負(fù)載設(shè)備，其輸出電壓從零快速升高到其輸出電流達(dá)到預(yù)設(shè)的電流閾值Im，然后保持輸出電流I<Im的條件下逐漸增大至額定電壓，電動機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高到額定轉(zhuǎn)速，輸出電流迅速下降到額定電流，起動完成。
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3．2 電壓斜坡起動
輸出電壓以斜坡線性上升，使傳統(tǒng)降壓起動由有級變無級，主要用于重載起動。其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性是上升拋物線型，不利于起動，且起動時(shí)間長。而改進(jìn)的雙斜坡起動其輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動機(jī)起動最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升高，直至額定電壓，初始電壓和電壓上升速率可根據(jù)負(fù)載特性進(jìn)行調(diào)整。該雙斜坡起動特點(diǎn)是起動電流相對較大，起動時(shí)間相對較短，適用于重載起動的電動機(jī)。
3．3 轉(zhuǎn)矩控制啟動
轉(zhuǎn)矩控制啟動主要用于重載起動，它是按電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩線性上升來控制輸出電壓，優(yōu)點(diǎn)是起動平滑，柔性好，適用于拖動系統(tǒng)，同時(shí)減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動方式，缺點(diǎn)是起動時(shí)間較長。
3．4 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動
該方法也用于重載起動，所不同的是在起動瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，最后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動時(shí)間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷，使用時(shí)應(yīng)特別注意。
3．5 電壓控制起動
該方法用于輕載起動，在保證起動壓降的前提下使電動機(jī)獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短起動時(shí)間，因此，該方法是最優(yōu)的輕載軟起動方式。
4 重載起動
4．1 交一交變頻工作原理
軟起動對低壓電機(jī)效果明顯，但采用可控硅調(diào)壓方式的軟起動器控制感應(yīng)電動機(jī)，電壓降低的同時(shí)，供電頻率仍為工頻，使得其功率因數(shù)降低，無功功率增加，因此決定了該軟起動器只適用于輕載。然而在很多場合不能保證負(fù)載為輕載起動，這就要求在降低電壓的同時(shí)，減小供電電壓頻率，即保持V/F不變和恒力矩起動．因而變頻器變頻起動是最好的起動設(shè)備，但變頻器僅用于起動，無調(diào)速，將造成資金浪費(fèi)，且感應(yīng)電動機(jī)的重載起動只是短時(shí)間，故采用交一交變頻器實(shí)現(xiàn)重載軟起動。
由于交一交變頻實(shí)現(xiàn)重載軟起動，交一交變頻無中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就能實(shí)現(xiàn)變頻，效率高，而且大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻器主要也是由交一交變頻完成。其工作原理：兩組交流電路按一定頻率交替工作，負(fù)載輸出該頻率的交流電。改變兩組變流電路的切換頻率，改變輸出頻率；改變變流電路工作時(shí)的控制角，交流輸出電壓的幅值也隨之改變。與可控硅整流電路(軟起動)相同，交一交變頻電路也為電網(wǎng)換相。
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4．2 交一交變頻軟起動試驗(yàn)
為驗(yàn)證交一交變頻軟起動的起動效果，對一臺中壓電機(jī)(6 kV、780 kW、89 A)進(jìn)行全壓直接起動與交一交變頻軟起動試驗(yàn)。該軟起動實(shí)驗(yàn)采用電氣量采集分析裝置(PCA2002型)記錄有關(guān)參數(shù)及電壓、電流波形，并進(jìn)行對比分析。
4．2．1 全壓直接起動
圖2為全壓直接起動的電壓、電流波形。由圖2(a)電壓波形可見，電動機(jī)起動前系統(tǒng)電壓為
起動中電壓降為
即電壓降到起動前電壓的81％(下降19％)，電動機(jī)起動后經(jīng)1．9 s到達(dá)額定轉(zhuǎn)速，電壓回升至
即原系統(tǒng)的99．3％。由圖2(b)電流波形可見，電動機(jī)起動開始時(shí)有一個(gè)涌流(其第一個(gè)脈沖最大，為額定電流Im的6．9倍)，很快衰減到453．8 A，為電動機(jī)額定電流Im的5．1倍．該電流持續(xù)了約1.32 s，然后經(jīng)0．57 s逐漸下降到電動機(jī)的空載電流25．6 A。4．2．2 重載軟起動
圖3為重載軟起動的電壓、電流波形。從圖3(a)電壓波形可見，電動機(jī)起動前系統(tǒng)電壓為
起動后電壓幾乎沒有變化，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速逐步上升，電壓稍有下降，最低降至
即下降到原電壓的94．5％(下降5．5％)，當(dāng)電動機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電壓回升到即原系統(tǒng)電壓的99.4％。從圖3(b)電流波形可見，開始電流幾乎為零，經(jīng)約6．5 s增加到19．2 A；再經(jīng)過5 s，電流增加到36．7 A；又經(jīng)5s，電流增加到78．2 A；又經(jīng)5 s，電流增加到145．9 A；經(jīng)14 s，電流增加到169．8 A，然后逐漸變化到電動機(jī)的空載電流25．7 A。電動機(jī)起動全過程約為45．2 s，出現(xiàn)的最大電流169．8 A是電機(jī)額定電流的1．9倍。通過對比驗(yàn)證看出，用軟起動效果遠(yuǎn)好于常規(guī)起動，雖然在起動過程中，起動電流中含有一定的高次諧波，而電壓中卻只有很小的高次諧波，電壓的總諧波畸變率為2．72%，如見圖4所示，所以并不會對系統(tǒng)造成影響。
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4．3 出現(xiàn)的問題及解決方法
交一交變頻電路的輸出電壓是由若干段電網(wǎng)電壓拼接而成的。當(dāng)輸出頻率升高時(shí)，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的段數(shù)就減少，所含諧波分量就要增加。這種輸出電壓的波形畸變是限制輸出頻率提高的主要因數(shù)之一。所以最高輸出頻率不高于電網(wǎng)頻率的1／3～1／2。但由于主要用于起動，一旦速度達(dá)到全速的1／3，控制相應(yīng)晶閘管使其切換到軟起動。因?yàn)榇藭r(shí)電壓相對較小，切換的過程中不會產(chǎn)生很大的沖擊電流。由于采用無環(huán)流控制方式，有換流死區(qū)，所以輸出波形有一點(diǎn)畸變。可采用快速的過零電流檢測減小死區(qū)時(shí)間。
由于傳統(tǒng)起動方式將逐漸被可控硅軟起動取代，然而軟起動卻不能較好解決感應(yīng)電機(jī)的重載起動，因此給出一種實(shí)用的交一交變頻起動方式。目前采用交一交變頻技術(shù)成本相對過高，致使該技術(shù)主要用于大型礦井的關(guān)鍵設(shè)備。但隨著技術(shù)的提高，節(jié)能意識的增強(qiáng)，交流異步電動機(jī)的軟起動具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
