交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)研究

(a)限流起動(b)電壓斜坡起動(c)轉(zhuǎn)矩控制起動

(d)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(e)電壓控制起動

(2)電壓斜坡起動：輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓起動變有級為無級，主要用在重載起動。它的缺點是起動轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對起動不利，且起動時間長，對電機不利。改進的方法是采用雙斜坡起動：輸出電壓先迅速升至U1，U1為電動機起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，但起動時間相對較短，適用于重載起動的電機。

(3)轉(zhuǎn)矩控制起動：主要用在重載起動，它是按電動機的起動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點是起動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載起動方式。它的缺點是起動時間較長。

(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動：轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動一樣也是用在重載起動的場合。所不同的是在起動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時應(yīng)特別注意。

(5)電壓控制起動：電壓控制起動是用在輕載起動的場合，在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式。各種軟起動方式的相應(yīng)起動曲線見圖2。

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

2．4軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的比較

軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的性能比較見表1。

2．5軟起動器的適用場合

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

(2)電動機功率較大，若直接起動，要求主變壓器

產(chǎn)品主要性能	數(shù)字式軟起動器	磁控降壓起動器	自耦降壓起動器
起動特性	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
起動沖擊電流	無	1次，約為電機額定電流IN的6倍	2次，約為電機額定電流IN的7倍
起動電流	(0.5～4)IN，用戶可視負載輕重調(diào)整	(2～3)IN以上，不能調(diào)整	(3～5)IN以上，不能調(diào)整
電機轉(zhuǎn)矩特性	沒有沖擊轉(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
負載適應(yīng)能力	強	一般	較差
能否頻繁起動	可以	一般不能	一般不能
起動方式	限流軟起動或電壓斜坡起動任選	區(qū)域恒流軟起動	分段式恒壓起動
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位高性能單片計算機模糊控制	繼電器及普通電子元件繼電電子控制	繼電器繼電控制
整機重量/體積	輕/小	較重/較大	重/大
外接電纜數(shù)量	6根（3進、3出）	6根或9根（130kW以上為：3進、6出）	6根（3進、3出）

表1軟起動器與傳統(tǒng)降壓起動器的比較

容量加大的場合；

(3)對電網(wǎng)電壓波動要求嚴格，對壓降要求≤

10％UN的供電系統(tǒng)；

(4)對起動轉(zhuǎn)矩要求不高，可進行空載或輕載起

動的設(shè)備。

嚴格地講，起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)當小于額定轉(zhuǎn)矩50％的拖動系統(tǒng)，才適合使用軟起動器解決起動沖擊問題。對于需重載或滿載起動的設(shè)備，若采用軟起動器起動，不但達不到減小起動電流的目的，反而會要求增加軟起動器晶閘管的容量，增加成本；若操作不當，還有可能燒毀晶閘管。此時只能采用變頻軟起動。因為軟起動器調(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差功率始終存在，難免產(chǎn)生過大的起動電流；而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實現(xiàn)無過流軟起動，且可提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動轉(zhuǎn)矩，特別適用于重載起動的設(shè)備。但是變頻器的價格要比軟起動器的價格高得多了。

3異步電動機經(jīng)濟運行和優(yōu)化節(jié)電控制技術(shù)

3．1異步電動機降壓節(jié)電技術(shù)概述

對于滿載或重載運行的電動機，降低其端電壓將會造成嚴重后果，隨著端電壓的降低，電動機的磁通和電動勢隨之減小，鐵耗無疑將下降。但與此同時，隨電壓平方變化的電動機轉(zhuǎn)矩也迅速下降而小于負載轉(zhuǎn)矩，電動機只能依靠增大轉(zhuǎn)差率，提高電磁轉(zhuǎn)矩以達到與負載轉(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鐵耗的下降值，這時電動機繞組溫升將會增高，效率將會下降，甚至發(fā)生電動機燒毀事故。因而，一般規(guī)程都規(guī)定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95％～110％。

然而對于輕載運行的電動機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經(jīng)濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，在降壓運行時，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，電動機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數(shù)同時得到改善。由此可見，電動機的運行經(jīng)濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關(guān)系極大。理論分析表明電動機的力能指標（運行效率與功率因數(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為電動機額定工況和降壓運行的轉(zhuǎn)差率；cosφN和cosφ為電動機額定工況和降壓運行的功率因數(shù)；

ηN和η為電動機額定工況和降壓運行的效率；

KU為電動機的調(diào)壓系數(shù)，KU=U/UN（UN和U為電動機額定電壓和降壓運行時的實際電壓）；

KI為電動機的空載電流系數(shù)，KI=IO/IN（IN和

IO為電動機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到節(jié)電的目的，只有當電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時，才能使運行效率提高。實際上，電動機效率隨電壓降低而變化的關(guān)系呈馬鞍形曲線，對應(yīng)于每一個輸出功率（或負載系數(shù)），必然存在一個最佳調(diào)壓系數(shù)KUm，當KU=KUm時，電動機的損耗最低，效率最高。KUm稱為電動機的最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。不同負載下最佳電壓調(diào)節(jié)系數(shù)KUm可按電動機的負載系數(shù)β由下式確定[1]：KUm=(3)

式中：ΣPN為電動機額定負載時的有功損耗（kW）；

PO為電動機的空載損耗（kW）；

K為計算系數(shù)，K=（PO－Pfw）/ΣPN〔Pfw為電

動機的機械損耗（kW）〕；

β為電動機的負載系數(shù)，β=(P2/PN)·100％

（P2為電動機的輸出功率，PN為電動機的

額定功率）。

文獻[1]給出了輕載電動機采用降壓節(jié)電措施后，節(jié)約電能的計算公式為：

節(jié)約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN－PO)β2(1－1/KU2)＋ΣPN(1－KU2)(4)

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

式中：QN為電動機帶額定負載時的無功功率（kvar）；

QO為電動機的空載無功功率（kvar）。

節(jié)約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP＋KQΔQ)(6)

式中：KQ為無功經(jīng)濟當量，當電動機直連電機母線

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為電動機年運行時間（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)的異步電機優(yōu)化節(jié)電器為Nolacosφ功率因數(shù)控制器,其原理是通過檢測電動機運行中的cosφ值，與預(yù)先設(shè)定的基準值比較，當實際值低于設(shè)定值時，說明電動機為輕載，通過降低電動機的端電壓來提高cosφ，直到實際的cosφ測量值達到設(shè)定值為止，實現(xiàn)了節(jié)電；cosφ數(shù)值高表明是重載，則升高電機端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節(jié)電法：控制對象是電動機的功率因數(shù)，而目的是節(jié)電。由于交流異步電機的最佳功率因數(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)格的異步電機的功率因數(shù)呈一定的離散性；同一臺電機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)計和調(diào)整帶來一定的困難。故這種方法不能達到最佳節(jié)電效果，并且理論與實踐都已證明，過高的功率因數(shù)值對于異步電機來說，并不節(jié)電。

（2）最小輸入功率法

交流異步電機工作時，從電網(wǎng)輸入的電功率P1，一部分轉(zhuǎn)換成電機軸上的機械功率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，電機的效率最高，損耗PS最小。最小輸入功率法的原理就是在電機工作的任一負載點上，在保證軸上機械功率輸出的前提下，通過降低電機的端電壓而減小電機自身的損耗，從而達到節(jié)能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當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。通過微機自動尋優(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——輸入的電功率達到最小值，實現(xiàn)最優(yōu)節(jié)電目的。