1、交流异步电机软起动及优化节能控制技术全面分析与研究摘 要：本文对交流异步电动机的软起动和优化节能运行问题作了全面的分析和研究，提出了异步电动机起动和运行的综合控制方案。并研制成功了智能马达优化控制器（IMOC） 。关键词：异步电动机 软起动 节能运行 智能马达优化控制器。 1 前 言目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机（包括 380V/660V低压电动机和 3KV/6KV 中压电动机） ，有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态，白白地浪费掉大量的电能。究其原因，大致是由以下几种情况造成的：由于大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，810 倍
2、的起动电流造成巨大的能量损耗。 在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低。 从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，并分别于 1990 年和 1995 年制定和修定了一个强制性的国家标准：三相异步电动机经济运行 （GB12497-1995） 。希望依此来规范三相异步电动机的经济运行，国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用，
3、但对中压电动机则收效甚微。其原因是：（1）中压电动机一般容量较大，一旦发生故障，其影响也大，因此对节电措施的可靠性的要求就更高；（2）中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制，节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为上，国内尚无成型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。2 异步电动机的软起动由于工业生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能提出了越来越高的要求，归纳起来有以下几个方面： 要求电动机有足够大的，并且能平稳提升的起动转矩和符合要求的机械特性曲线； 尽可能小的起动电流； 起动设备尽可能简单、经济、可靠，起动操作方便； 起动过程中的功率消耗应尽可能的少。根据以上相互矛
4、盾的要求和电网的实际情况，通常采用的起动方式有两种：一种是在额定电压下的直接起动方式，另一种是降压起动方式。 2.1 直接起动的危害直接起动是最简单的起动方式，起动时通过闸刀或接触器将电动机直接接到电网上。直接起动的优点是起动设备简单，起动速度快。但是直接起动的危害很大；电网冲击：过大的起动电流（空载起动电流可达额定电流的 47倍，带载起动时可达 810 倍或更大） ，会造成电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行，还可能使欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命。 机械冲击：过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕
5、组绝缘磨损，导致击穿烧机；转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。 对生产机械造成冲击：起动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命；影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。所有这些都给设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。因此对电动机直接起动有以下限制条件： 生产机械是否允许拖动电动机直接起动，这是先决条件；电动机的容量应不大于供电变压器容量的 1015%；起动过程中的电压降U 应不大于额定电压的 15%。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接起动，而要求采用一定的起动设备，方可完成正常的起动工作。2.2 老式降压起动方式的
6、适用场合及性能比较： 降压起动的目的是减小起动电流，但它同时也使起动转矩下降了。对于重载起动，带有大的峰值负载的生产机械，就不能用这种方式起动。传统的降压起动有以下几种方法：（1）星形/三角形转换器：这种方法适用于正常运行时定子绕组采用接法的电动机。定子有六个接头引出，接到转换开关上，起动时采用星形接法，起动完毕后再切换成接法。起动电压为 220V，运行电压为 380V。这种起动设备的优点是起动设备简单，起动过程中消耗能量少。缺点是有二次电流冲击，设备故障率高，需要经常维护，所以不宜使用在频繁起动的设备上。在转换过程中，由于瞬变电势和电动机剩磁产生的电势往往与电源电压有相位差，严重时会产生电压
7、相加，引起过大的冲击电流和电磁转矩，因此大大地限制了它的使 用。由于起动电压为运行电压的 ，故其起动转矩为额定转矩的 1/3，只能用在空载或轻载（负载率小于 1/3）起动的设备。在电动机轻载或空载运行时，也可利用该起动设备作降压运行，以提高电动机的功率因数和效率。 （2）自耦变压器降压起动：三相自耦变压器（也称补偿器）高压边接电网，低压边接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同起动转矩的负载。在电动机起动后再将其切除。其优点是起动电压可以选择，如 0.65、0.8 或 0.9UN，以适应不同负载的要求。缺点是体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。 (3)
8、 磁控软起动器：磁控软起动器是利用控磁限幅调压的原理，在电动机起动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，起动特性变软，并可实现软停车。但其起控电压在 200V 左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体积较大。 (4) 对于高压电机，可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压起动，待起动完成后再将其切除。但电抗器成本高，水电阻损耗又大。(5) 对于绕线式异步电动机，可在转子绕组串接频敏变阻器或水电阻实现起动，待起动完成后再将其切除。但频敏变阻器成本高，而水电阻损耗又大。其他还有延边三角形起动，定子串电阻起动等方法。 值得指出的是：尽管各种老式降压起动方法各有其
9、优缺点，但它们有一个共同的优点：就是没有谐波污染。 2.3 新型的电子式软起动器随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出一系列电子式起动控制设备，用于异步电动机的起动控制，以取代传统的降压起动设备。新型的电子式软起动器的主回路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的异通角 ,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必
10、要的电能损耗。所谓“软起动” ，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式：(1) 限流软起动：限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值（Im）的软起动方式。主要用在轻载起动的负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值 Im，然后在保持输出电流 I这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整， （起动电流的限值 Im 必须根据电动机的起动转矩来设定，Im 设置过小，将会使起动失败或烧毁电机。 ）对电网电压影响小。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩
11、，起 动时间相对较长。(2) 电压钭坡起动：输出电压由小到大钭坡线性上升，将传统的降压起动变有级为无级，主要用在重载起动。它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，且起动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双钭坡起动：输出电压先迅速升至 U1，U1 为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电机。(3) 转矩控制起动：主要用在重载起动，它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统
12、有利，同时减少对电网的冲击，是最优的重载起动方式。它的缺点是起动时间较长。(4) 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意。(5) 电压控制起动是用在轻载起动的场合，在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地 缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式。 停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。软起动器带来的最大好处是软停车和制动 停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵 就是“水锤”效应；制
13、动停车则在一定场合代替了反接 制动停车功能。 2.4 软起动器与传统降压起动器的比较软起动器与传统降压起动器的性能。2.5 软起动器的适用场合 (1) 生产设备精密，不允许起动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合； (2) 电动机功率较大，若直接起动，要求主变压器容量加大的场合； (3) 对电网电压波动要求严格，对压降要求10% UN 的供电系统；(4) 对起动转矩要求不高，可进行空载或轻载起动的设备。严格地讲，起动转矩应当小于额定转矩 50%的拖动系统，才适合使用软起动器解决起动冲击问题。对于需重载或满载起动的设备，若采用软起动器起动，不但达不到减小起动电流的目的，反而会要求增加软起
14、动器晶闸管的容量，增加成本；若操作不当，还有可能烧毁晶闸管。此时只能采用变频软起动。因为软起动器调压不调频，转差功率始终存在，难免过大的起动电流；而变频器采用调频调压方式，可实现无过流软起动，且可提供 1.22 倍额定转矩的起动转矩，特别适用于重载起动的设备。但是变频器的价格就要比软起动器的价格高得多了。3 异步电动机经济运行和优化节电控制技术3.1 异步电动机降压节电技术概述 对于满载或重载运行的电动机，降低其端电压将会造成严重后果，随着端电压的降低，电动机的磁通和电动势随之减小，铁耗无疑将下降。但与此同时，随电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电
15、磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转子电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而使定子和转子铜耗增加值大大超过铁耗的下降值，这时电动机绕组温升将会增高，效率将会下降，甚至发生电动机烧毁事故。因而，一般规程都规定了电动机正常运行时电压变化范围不得超过额定电压的 95%110%。然而对于轻载运行的电动机，情况就截然不同，使供电电压适当降低，在经济上是有利的。这是因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小于额定值，转子电流并不大，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。而另一方面，却由于电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少。在这种情况下，电动机的总损耗就可
16、降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，电动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。理论分析表明电动机的力能指标（运行效率与功率因数）与其端电压之间存在如下的数量关系2：500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1026“ （1）500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1027“ （2）SN 和 S电动机额定工况和降压运行的转差率；500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1028“ 和 500)this.sty
17、le.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1029“ 电动机额定工况和降压运行的功率因数；N 和 电动机额定工况和降压运行的效率；KU电动机的调压系数，KU=U/UN；UN 和 U电动机额定电压和降压运行时的实际电压；K1电动机的空载电流系数，K1=Io/IN；IN 和 Io 一电动机的额定电流和空载电流。从式（2）不难看出：并不是所有的降压行为都能达到节电的目的，只有当电压降低程度大于转差率及功率因数上升程度时，才能使运行效率提高。实际上，电动机效率随电压降低而变化的关系呈马鞍形曲线，对应于每一个输出功率（或负载系数） ，必然存在一个最佳调压系数Kum，当 Ku=Ku
18、m 时，电动机的损耗最低，效率最高。Kum 称为电动机的最佳电压调节系数。不同负载下最佳电压调节系数 Kum 可按电动机的负载系数 由下式确定1：500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1030“ （3）式中： 500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1031“ 电动机额定负载时的有功损耗（kW） ；Po电动机的空载损耗（kW） ；K计算系数，K=（Po-Pfw）/PN；Pfw电动机的机械损耗（kW） ；电动机的负载系数，=P2/PN100%P2电动机的输出功率；PN电动机的额定功率。文献1给出了轻载电动机采用降压节电措施后，节约电能的计算公式为：节约的有功功率 500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1032“ （4）节约的无功功率：500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1033“ （5）节约的电能：500)this.style.width=500;“ v:shapes=“_x0000_i1034“ （6）式中：QN电动机带额定负载时的无功功率（Kvar） ；
