姚智元
摘 要:文章針對感應(yīng)式電動機(jī)在啟動過程中會造成的危害及危害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析,闡述了常用的幾種啟動方式,并從各種啟動方式的優(yōu)缺點進(jìn)行了客觀的分析。
關(guān)鍵詞:感應(yīng)式電動機(jī);啟動方法;啟動特性
中圖分類號:TM346 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:2095-2945(2018)34-0054-03
Abstract: This paper analyzes the harm of induction motor in the process of starting and the reasons for harm, expounds several common starting methods, and analyzes objectively the advantages and disadvantages of each starting mode.
Keywords: induction motor; starting method; starting characteristic
1 概述
當(dāng)感應(yīng)電動機(jī)接電源后,電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動,然后升速至穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)速,這個過程叫做啟動過程,簡稱啟動。由于生產(chǎn)上的需要,在實際運(yùn)行中,感應(yīng)電動機(jī)需要經(jīng)常地啟動和停機(jī)。電動機(jī)啟動過程非常短暫,一般約為幾分之一秒至數(shù)秒,但由于電動機(jī)在啟動時啟動電流很大,而啟動轉(zhuǎn)矩較小。若啟動方式不當(dāng),啟動次數(shù)太頻繁,往往會造成電機(jī)的損壞,并影響電網(wǎng)上其他電氣設(shè)備的正常工作。因此,研究感應(yīng)電動機(jī)啟動問題,對于正確使用電動機(jī)具有實際意義。
2 電機(jī)啟動特性
2.1 啟動性能
感應(yīng)電動機(jī)的啟動性能主要包括下列幾項:(1)啟動電流倍數(shù)Ist/IN;(2)啟動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst/TN;(3)啟動時間,希望啟動時間較短,以提高勞動生產(chǎn)率;(4)啟動過程中的能量消耗,對經(jīng)常啟動的電動機(jī),能量損耗過大會使電機(jī)的溫升增高,危害繞組的絕緣;(5)啟動設(shè)備的簡單性和可靠性,啟動設(shè)備簡單,可降低設(shè)備成本和便于維護(hù)。其中最重要的是啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩的大小。
在為各種生產(chǎn)機(jī)械選配電動機(jī)時,既要求啟動電流不要太大,以免損壞電機(jī)及影響同一電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常工作;又希望電動機(jī)具備較大的啟動轉(zhuǎn)矩,使生產(chǎn)機(jī)械能夠迅速地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而正常工作。但是,這兩個要求卻又不能同時滿足。
對于鼠籠式電動機(jī),啟動電流倍數(shù)和啟動轉(zhuǎn)矩國家都有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)要求,一般Ist/IN=4~7(不允許超過此數(shù)值);Tst/TN=1~2(不允許小于此數(shù)值)。
2.2 啟動問題
感應(yīng)電動機(jī)啟動時,啟動電流過大的原因可借由左圖等值電路得出。由于勵磁阻抗比定子、轉(zhuǎn)子漏阻抗大得多,所以去掉勵磁支路后對定子電流影響不大,則定子電流公式
正常運(yùn)行時電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1非常接近轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2,此時的轉(zhuǎn)差率S很小,一般SN=0.01~0.05,所以R2/S數(shù)值很大,從而限制了定子、轉(zhuǎn)子的電流。但在啟動時,因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n2=0,由公式S=■可得S=1,R2/S=R2。此時轉(zhuǎn)子的漏阻抗很小,所以啟動電流很大,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過額定電流。
由公式2可得,當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時,因轉(zhuǎn)差率S=0.01~0.05,故轉(zhuǎn)子邊的功率因數(shù)角φ數(shù)值很小,使功率因數(shù)COSφ數(shù)值大,電磁轉(zhuǎn)矩T也就很大。但在電機(jī)啟動時轉(zhuǎn)差率S=1,使得轉(zhuǎn)子邊的功率因數(shù)角φ數(shù)值很大,COSφ很小,雖然盡管I很大,單其有功分量Icosφ卻不大。另外,由于啟動電流很大,定子繞組的漏阻抗壓降很大,使感應(yīng)電動勢E1減小,主磁通φm也相應(yīng)減小。這兩個因數(shù)使得雖然啟動電流很大,而啟動轉(zhuǎn)矩卻不大。
3 鼠籠式轉(zhuǎn)子電動機(jī)的啟動方法
3.1 直接啟動
直接啟動,就是不需要專門的啟動設(shè)備,直接通過刀閘、斷路器等開關(guān)設(shè)備將電機(jī)接到電網(wǎng)上。
直接啟動時,雖然啟動電流較大,對于電動機(jī)本身可能會造成不利的影響。但是鼠籠式電動機(jī)啟動時間短,一般不會因啟動電流過大而燒毀。此時主要考慮的是Ist過大而產(chǎn)生的壓降對同一電網(wǎng)的其他設(shè)備正常工作的影響。因此,直接啟動的方式直接與供電變壓器容量大小密切相關(guān)。若不經(jīng)常啟動的電動機(jī),單機(jī)容量應(yīng)小于變壓器容量的30%;經(jīng)常啟動的電動機(jī),單機(jī)容量應(yīng)小于變壓器容量的20%。
直接啟動不需要專門的啟動設(shè)備,啟動時間短,操作簡單,在變壓器容量允許的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。在發(fā)電廠中,由于供電變壓器容量大,一般都采用直接啟動。但為了保證電機(jī)的安全,在正常情況下,電機(jī)在冷狀態(tài)下允許連續(xù)啟動2~3次,在熱狀態(tài)下只允許啟動1次。只有在處理事故時,以及啟動時間不超過2~3秒的電機(jī)才可以多啟動1次。
3.2 降壓啟動
對電動機(jī)容量較大而供電變壓器容量又相對較小時,為降低啟動電流,需降低電動機(jī)啟動時定子繞組上所加的電壓。常用的降壓啟動方式有下列幾種。
(1)Y-△啟動法
由上述分析可以得出:Y-△啟動的優(yōu)點是啟動設(shè)備簡單、操作簡便并能較大地降低電源供給的啟動電流,故國產(chǎn)Y系列異步電機(jī)4KW以上,均規(guī)定額定接線方式為△接法,以便采用Y-△啟動。采用此法啟動,要求電機(jī)需引出6個引出端,這對于高壓電機(jī)是有困難的,且高壓電機(jī)通常采用Y型接線,所以Y-△啟動通常只適用于500V以下的低壓電機(jī);其缺點是較大地較低了轉(zhuǎn)子的啟動力矩。故這種啟動方式只能用于空載或輕載的場合。
(2)定子邊串接電抗器啟動
這種啟動方法是在電機(jī)開始啟動時在定子邊串接電抗器,該電抗器起到對電源電壓分壓的作用,降低定子繞組的端電壓,故減小了啟動電流IST。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速接近額定轉(zhuǎn)速時,即切除電抗器,電動機(jī)就在額定電壓Un下正常運(yùn)行。
假定在降低電壓時電機(jī)的阻抗參數(shù)不變的情況下,在串入電抗器后,加在電機(jī)上的電壓減小至1/KUN,由公式1可知,啟動電流也減小為直接啟動電流的1/K倍。同時因啟動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比,此時的啟動轉(zhuǎn)矩也減少為直接啟動轉(zhuǎn)矩的1/K2倍。
因此,用電抗器啟動的缺點同樣是啟動力矩太小,只適用于輕載啟動或啟動不頻繁的場合。目前因為電機(jī)串接固定電抗器啟動的方法適應(yīng)性差,且電抗器被切除是還存在二次的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊的危險,目前已很少使用。
(3)用自耦變壓器降壓啟動
自耦變壓器(或稱補(bǔ)償器)的高壓側(cè)接到電網(wǎng)上,低壓側(cè)接到電動機(jī)上,其低壓側(cè)一般有三個抽頭,分別為電網(wǎng)電壓的40%,60%,80%或其他數(shù)值,以便根據(jù)啟動力矩的要求,選擇不同的啟動電壓。當(dāng)啟動完畢后,切除自耦變壓器,電動機(jī)就在額定電壓下正常運(yùn)行。
忽略電動機(jī)在啟動時的電抗變化,設(shè)自耦變壓器原邊電壓與副邊之比為k(k>1)。電動機(jī)在額定電壓下直接啟動的啟動電流為IST。今由于加到電動機(jī)上的電壓降低到全壓啟動電壓的1/k倍,由公式1可得啟動電流也降低為全壓啟動電流1/k倍,即自耦變壓器副邊電流I2ST=1/KIST。要注意到,此時I2ST是自耦變壓器的二次電流,而電源供給的啟動電流I1ST為一次電流。根據(jù)變壓器的原理,自耦變壓器高壓側(cè)電流是低壓側(cè)電流的1/k倍,因此,由電網(wǎng)供給電動機(jī)的啟動電流I1ST=1/KI2ST=(1/K)2IST。
同樣,由于啟動轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比,當(dāng)電動機(jī)上的電壓降低到全壓啟動電壓的1/k倍時,啟動力矩也將降低到(1/K)2倍,與電流的降低倍數(shù)相等。
采用自耦變壓器啟動可以根據(jù)電動機(jī)容量的大小和負(fù)載的輕重而選擇不同的抽頭,且與串入電抗器降壓啟動比較,相同的轉(zhuǎn)動力矩下,采用自耦變壓器降壓啟動的啟動電流更小。其缺點是啟動設(shè)備要耗費(fèi)大量硅鋼片和銅材料,故設(shè)備貴重,同時設(shè)備容易損壞,檢修麻煩,一次不宜頻繁啟動等。這種方法一般適用于Y-△啟動不能滿足要求的容量較大的大、中型電動機(jī)。
(4)延邊三角形啟動法
這種啟動方法與Y-△降壓啟動原理非常相似,即啟動時將電動機(jī)定了繞組的一部分接成星形(丫),另一部分接成三角形(△),從圖形上看好像將一個三角形(△)的三條邊延長,因此稱為延邊三角形,當(dāng)電動機(jī)起動結(jié)束后再將定子繞組接成三角形進(jìn)行正常運(yùn)行。
因此Y-△星三角降壓啟動方法只是只是延邊三角啟動法的特殊情況,即啟動時,電動機(jī)定子每相繞組所承受的電壓,比接成全星形接法時大,所以啟動轉(zhuǎn)矩也較大。同時在電機(jī)制造時可以選取每相兩段繞組不同的匝數(shù)比來得到不同的啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。
但是在實際應(yīng)用中由于采用延邊三角形啟動的異步電動機(jī)三相定子繞組比一般的多了三個中間抽頭,因此使繞組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,電動機(jī)必須專門生產(chǎn),從而限制了本方法的實際應(yīng)用范圍。
(5)新型軟啟動
電壓由零慢慢提升到額定電壓,啟動電流的亦可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié),電機(jī)的啟動的全過程為平滑的啟動運(yùn)行,即為軟啟動。
軟啟動的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其控制電路,通過晶閘管觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(fā)角的大小,從而改變晶閘管的導(dǎo)通時間,最終改變加到電動機(jī)三相繞組的電壓大小。由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比,電流又和定子電壓成正比。這樣,電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現(xiàn),而定子電壓又是通過可控硅的導(dǎo)通相角來控制的,所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓,電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流的最大值可根據(jù)負(fù)載而設(shè)定,以滿足不同的負(fù)載啟動要求。電動機(jī)啟動的過程中,晶閘管的導(dǎo)通角逐漸增大,晶閘管的輸出電壓也逐漸增加,電動機(jī)從零開始加速,直到晶閘管全導(dǎo)通,從而實現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑啟動,并使電動機(jī)工作在額定電壓下。
軟啟動的優(yōu)點是可以從根本上解決啟動電流大造成的不良影響;其缺點是晶閘管的故障率較高,成本投入較大,且對維護(hù)技術(shù)人員的要求也較高。
4 繞線式轉(zhuǎn)子電動機(jī)的啟動方法
繞線式異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子回路可以接入變阻器,以達(dá)到減小啟動電流、提高啟動轉(zhuǎn)矩的目的。在啟動過程中,隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上升,逐漸減小變阻器的阻值,待轉(zhuǎn)速增加到接近額定轉(zhuǎn)速時,將變阻器切除。
4.1 啟動變阻器啟動
這種啟動方法是將可調(diào)節(jié)的三相變阻器接在轉(zhuǎn)子回路中,從公式1可得,這樣既可以減小電機(jī)啟動電流,同時又提高了轉(zhuǎn)子電路的cosφ,從而提高啟動轉(zhuǎn)矩,因此改善了繞線式異步電動機(jī)的啟動性能。
轉(zhuǎn)子串入的啟動電阻是分級的,隨啟動過程的進(jìn)行,轉(zhuǎn)子逐步升高,逐級切除啟動電阻。因是逐級切除啟動電阻,切除每段電阻均會造成轉(zhuǎn)矩突變,對電機(jī)有機(jī)械沖擊,且切換設(shè)備多,控制較復(fù)雜,已逐漸被頻敏電阻器取代。
4.2 頻敏變阻器啟動
頻敏變阻器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個鐵心損耗特別大的三相鐵心電抗器。在電機(jī)啟動過程中,轉(zhuǎn)子電流頻率(f2=f1S)是隨轉(zhuǎn)差率變化的,串接在轉(zhuǎn)子電路中頻敏電阻器的等值阻抗Zp,將隨轉(zhuǎn)子電流頻率的變化而自動改變。啟動時,轉(zhuǎn)子電流頻率f2最大,Zp也最大,電動機(jī)的啟動電流將受到限制,并可獲得較大的啟動力矩。啟動完畢后,隨著轉(zhuǎn)子電流頻率f2的減小,Zp跟著自動減小。
因此采用頻敏電阻器啟動,啟動電機(jī)不需要經(jīng)過分級切除電阻,實現(xiàn)了電機(jī)的無級平滑啟動,因此獲得廣泛應(yīng)用。
5 結(jié)束語
對于鼠籠式感應(yīng)電機(jī)直接啟動啟動快、方法簡單,但是啟動電流大,在電源容量允許的情況下首先考慮直接啟動法。如果把可以采用直接啟動的電機(jī),采用了降壓啟動,無疑是一種浪費(fèi),且增加了故障的可能。降壓啟動僅使用在不允許直接啟動的場合,但是此方法會使啟動轉(zhuǎn)矩顯著降低,以此只適用于電動機(jī)空載或輕載下啟動。
對于繞線式感應(yīng)電動機(jī),在轉(zhuǎn)子回路串接頻敏變阻器啟動因其可以得到近似于恒啟動轉(zhuǎn)矩的平滑的機(jī)械特性,且結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便,故目前得到了廣泛的引用。
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