李曉龍 陳篤超 隋大偉 梁宇晨

（1.天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津市 300180 2.天津市中天海河職業(yè)培訓(xùn)學(xué)院 天津市 300000）

1 引言

現(xiàn)代科技迅速發(fā)展，生產(chǎn)工藝不斷進步，在電氣傳動中對于調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。因為直流電機具有調(diào)速性能好、使用方便等優(yōu)點，所以在調(diào)速的傳動中應(yīng)用很多。但是因為直流電機的器件包括換向器、電刷、升高片等等，這些器件在很大程度上限制了它的過載能力、轉(zhuǎn)動慣量、單機容量，還有對于維修的程序，這些特點使直流電機無法在生產(chǎn)機械高性能、大型化的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的發(fā)展。對于同步電機，它的轉(zhuǎn)速是根據(jù)定子中的電流頻率和電機的極對數(shù)決定的，若電網(wǎng)用固定的頻率為同步機供電，同步電機意恒定的速度運轉(zhuǎn)，電機定子和轉(zhuǎn)子的磁場用一樣的速度進行旋轉(zhuǎn)，所以被稱為同步電機。傳統(tǒng)的同步電機的轉(zhuǎn)子繞組利用直流來進行激磁，同步電機用確定的速度進行工作時，改變轉(zhuǎn)子的激磁電流，同步電機的功率因數(shù)也會做出一定調(diào)整。傳統(tǒng)的同步電機的運轉(zhuǎn)速度是不變的，在帶動恒速負載和提高功率因數(shù)的工作情況下使用比較多。交流調(diào)速的系統(tǒng)有兩種，一種是異步運轉(zhuǎn)和同步運轉(zhuǎn)。異步運轉(zhuǎn)主要控制異步電機，具有異步運轉(zhuǎn)的功率因數(shù)、效率比較低、要求比較高等等的劣勢。同步運轉(zhuǎn)主要控制同步電機，同步電機有兩種，分別是電勵磁電動機以及永磁電動機。永磁電動機的優(yōu)勢是功率因數(shù)和效率比較高，劣勢是過載比較差、單價比較高、維修程序繁瑣、抗震能力比較弱，并且永磁電動機的轉(zhuǎn)矩被永磁體所控制，不能強勵磁和弱磁調(diào)速，在水泵、軋鋼機、礦井提升機以及空氣壓縮機等等工作場所運用比較廣泛，所以交流同步電動機的應(yīng)用越來越多，所起作用也越來越重要。

2 同步電動機軟啟動的工作原理

同步電動機的啟動分為兩步，第一步是電網(wǎng)中加入定子繞組，在空隙中會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場，這種磁場使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了相應(yīng)的感應(yīng)電流，感應(yīng)電流和磁場相互作用，產(chǎn)生了異步的轉(zhuǎn)矩，最后轉(zhuǎn)子也跟著開始轉(zhuǎn)動，這個過程是異步的啟動過程。等到速度達到同步的速度（速度為同步速度的百分之九十五）時，加入勵磁繞組，這時轉(zhuǎn)子就會產(chǎn)生直流磁場，定子和轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的磁場彼此吸引，在這個過程中就會產(chǎn)生同步的轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，轉(zhuǎn)子會達到同步的轉(zhuǎn)速，這時這個過程被稱為同步階段。軟起動是利用軟啟動器使在電動機啟動時定子的電壓降低，從而降低啟動時的電流，這種降壓的方式是使用無級可調(diào)的方式來降低電壓，這是和其他降壓方法最根本的區(qū)別。軟起動技術(shù)有著很好的發(fā)展前景，尤其在我們國家科技和經(jīng)濟高速發(fā)展的時代，電動機各方面的指標有著苛刻的要求，以前的降壓方式已經(jīng)跟不上現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展腳步。軟啟動器在工作周期短，工作頻率高的場合得到廣泛應(yīng)用，也就是頻繁起停、短期空載短期重載的設(shè)備，比如車床、起重機、剪床、皮帶運輸機、刨床等等，還有著特殊要求的設(shè)備，比如減速、平滑起動、快速停車、快速制動的情況，對于這些情況，應(yīng)該使用軟啟動器，不僅可以降低啟動時的電壓，也很省電，大大節(jié)約了電力資源。軟啟動的現(xiàn)實意義是使得生產(chǎn)的規(guī)模形式得到優(yōu)化，解決系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的問題。在工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)的規(guī)模形式使得在工業(yè)生產(chǎn)中，單個機器的功率變得很大，電動機的需求功率也越來越高，但是電網(wǎng)的功率無法滿足電動機和機器的功率，無法形成正確的比關(guān)系。加之系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化越來越廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)無法承受，變得愈加脆弱，所以任一電機在啟動時出現(xiàn)問題和出現(xiàn)不正常的情況，不只會對啟動本身的工作場合產(chǎn)生影響，甚至有可能會對整個電網(wǎng)造成不良的影響，為了保證電力系統(tǒng)的安全，保障國民的生計問題，軟啟動能夠在很大程度上優(yōu)化這些問題。

軟啟動不僅能夠保證電力系統(tǒng)的安全，也在很大程度上加速了現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，使電力系統(tǒng)越來越完善，進而更快地提高電力系統(tǒng)的效率，更好地維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電動機作為電網(wǎng)中主要部分，它所用的電能是整個發(fā)電量的百分之十一，在電力系統(tǒng)中，若不使用軟啟動，比較大的電動機是沒有辦法啟動的，如果強行啟動很有可能造成電力系統(tǒng)的崩潰，從而不能正常運行。軟啟動使得電網(wǎng)的配置更加優(yōu)化，使得電網(wǎng)運行更加安全，效率更高。軟起動這種技術(shù)也更加優(yōu)化了電動機的特性，使得電動機技術(shù)有了更好的發(fā)展。在軟起動技術(shù)未使用之前，設(shè)計電動機時，不僅要考慮啟動的特點，也要考慮運行的要求很難顧全這兩方面的要求，但在使用軟起動技術(shù)之后，就可以不用考慮啟動的特點，只需要滿足運行的要求即可，軟起動技術(shù)可以很好地滿足啟動的特點，這使得電動機的設(shè)計更加合理，從而提高了系統(tǒng)的效率和工作效率?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容是減少污染排放，提高能源利用效率，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，對于提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。軟起動技術(shù)是采用各種變頻、降壓、降補的方式來實現(xiàn)電動機的軟起動，以此來減輕對電網(wǎng)的影響，對電網(wǎng)進行更好的保護，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，工作相率更高。

軟起動的技術(shù)包括三個方面：

（1）提高電動機的力矩以達到整個系統(tǒng)對電動機的各項要求，使電動機能夠更加穩(wěn)定的加速和運行，減少力矩的沖擊破壞；

（2）提高電動機的起動電流以達到整個系統(tǒng)對電動機承受方面的各項要求，使電動機能夠減少因發(fā)熱產(chǎn)生的絕緣和損壞，減少力矩的沖擊破壞；

（3）調(diào)整起動電流以滿足國家電網(wǎng)的相關(guān)標準，降低電壓的幅度，減低高次諧波的含量，使變壓器、動力系統(tǒng)、電動機得到合理的分配和配合，間接地實現(xiàn)了節(jié)能的目標。

3 同步電動機軟啟動的啟動方式

目前，大型同步電動機的啟動方式分為兩大類，分別是異步啟動和同步啟動，異步啟動定子串電抗器啟動、直接啟動、串電阻啟動、自耦變壓器減壓啟動、串電阻啟動、相控調(diào)壓啟動；同步啟動包括變頻啟動、小拖大啟動、背靠背啟動。同步電機全壓直接異步啟動的優(yōu)點是啟動快速、操作簡便、設(shè)備簡單，缺點是啟動電流大、沖擊較大。

液變電阻軟啟動設(shè)備主要是通過改變電流進行軟起動的方式，因為四周的溫度和環(huán)境的不同，會造成不同程度的影響，或許會讓液態(tài)電阻更大，這時啟動電流沒有增加到最大值就會出現(xiàn)電動機不能正常啟動的故障，這是因為電動機在一段時間內(nèi)速度沒有提高到等于額定的轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的。出現(xiàn)這種情況時，必須要等到溫度變低的時候才能再次啟動，這個時間大約是幾個小時，耗費大量的時間，降低工作效率，對于連續(xù)運行的生產(chǎn)，這種情況時絕對不能發(fā)生的，不然會造成更大的影響和損失。水電阻式軟啟動設(shè)備，利用的是可以動的極板，也就解決了上述的問題，不過水壓力大時，極板的震動頻率和振動幅度也很大，很容易損壞極板。用這種方法來啟動電動機時，也就是在電動機的末端串聯(lián)一個水電阻，把電源放置在中壓斷路器的前端，定子繞組放置在中壓斷路器的后端。合上電動機的開關(guān)時，電源的電壓都加在定子繞組的前端，這種做法會產(chǎn)生較大的電壓并對電機的絕緣產(chǎn)生很大的損壞。雖然水電阻的缺點有很多，但現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展快速，對于電動機的需求越來越高，水電阻相對來說價格優(yōu)惠，這個特點使得水電阻在生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。水電阻是我們國家現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和社會經(jīng)濟發(fā)展的產(chǎn)物，在國內(nèi)有很大的發(fā)展市場，中、小型電動機起動不多的情況比較適合用水電阻(含液變)軟啟動，其他情況要謹慎使用。

變頻軟啟動是在電動機和電源之間串聯(lián)一個變頻軟啟動器，通過控制每一相上晶閘管的導(dǎo)通角間接地控制電動機的電壓，當電動機慢慢達到額定轉(zhuǎn)速時，切斷變頻器，讓電動機開始運行工作。變頻軟啟動器的優(yōu)點是可以控制啟動電流，可以設(shè)置最高電流，可以減少對裝備的沖擊損壞，可以減少對電動機和負載的沖擊損壞，可以使裝備更加穩(wěn)定。現(xiàn)在使用最廣泛的變頻軟啟動器是交一直一交變頻器，這種變頻器包括逆變器和整流器，整流器的作用是把交流電源電壓整流成直流電，接著進行濾波，通過逆變器轉(zhuǎn)換成不同頻率的交流電，然后在提供給電動機。通過對電源電壓進行整流可以對電流進行換相，逆變器可以在速度比較低時通過電流斷續(xù)法實現(xiàn)這一功能。電動機的運轉(zhuǎn)速度能夠控制逆變器的輸出頻率，也可以控制開關(guān)器件的觸發(fā)，實現(xiàn)自同步的功能。與傳統(tǒng)的降壓方式相比，變頻軟啟動器的降壓方式優(yōu)勢在于使用變頻軟啟動器，電動機剛開始啟動的時候，可以通過控制晶閘管的控制角實現(xiàn)對電流的閉環(huán)控制，使啟動電流從零慢慢增加達到設(shè)定值，這個過程不會產(chǎn)生沖擊電流，啟動電流是循序漸進的，這樣才能使電機更加穩(wěn)定地啟動，當然，也可以根據(jù)電網(wǎng)和負載的不同要求來選擇最佳的啟動電流。變頻軟啟動時，首先要加入勵磁電流，然后加入電樞電流，再同步切換來啟動電機，這樣可以在很大程度上減少軸、齒輪、壓縮機等機械裝置的振動頻率，適用于大型的電動機。一個變頻器可以對兩臺電機進行分次啟動，利用率是很高的，對于變頻器平時的保養(yǎng)，要時常進行模擬啟動，保障變頻器的運行可以穩(wěn)定進行。

4 總結(jié)

降低電動機的啟動電流的方法有很多，例如星三角啟動、串電抗啟動、變頻啟動、軟啟動器降壓啟動，在這些降壓方法中，轉(zhuǎn)矩最大的是變頻啟動，電流最小的也是變頻啟動。大功率（6000kW以上）的同步電機，最好是選擇軟起動啟動，軟起動的功能最好。如果使用變頻啟動的方法，需要采用大功率的變頻器，這樣會增高經(jīng)濟投入，這種啟動方法不適合工業(yè)的發(fā)展，但如果選用小功率的變頻器又不能實現(xiàn)完全地拖動負載啟動，無法實現(xiàn)兩全。在設(shè)計大功率同步電機時，要精確計算短路的容量，考慮系統(tǒng)的各種運行方法，能夠完全滿足各項要求，在設(shè)計時要減少重復(fù)啟動，減少對系統(tǒng)的損壞。實際運行時，工作人員需要明白電動機運行的各項條件，分析數(shù)據(jù)總結(jié)經(jīng)驗，完善技術(shù)資料。如果使用液態(tài)電阻，需要注意的是環(huán)境和工作時間最液態(tài)電阻有著很大的影響，所以在啟動之前需要測量電阻值，進一步調(diào)整直到達到標準要求，謹慎處理對方提出的“3、5年不檢修，僅適量加水”的要求內(nèi)容。現(xiàn)在對于啟動時間一般是通過PLC 控制和調(diào)整極板來調(diào)整，以此來調(diào)整電阻，進而達到電動機啟動對電流的要求，不是每次啟動的過程都是一樣的，每次啟動都需要分析數(shù)據(jù)和波形，來保證能夠成功啟動，啟動之前，工作人員要仔細檢查，仔細核對各項要求，如遇突發(fā)狀況，要及時改變運行的方式?，F(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的主要內(nèi)容是減少污染排放，提高能源利用效率，建設(shè)可持續(xù)發(fā)展，對于提高生產(chǎn)效率有著重要的意義。軟起動技術(shù)是采用各種變頻、降壓、降補的方式來實現(xiàn)電動機的軟起動，以此來減輕對電網(wǎng)的影響，對電網(wǎng)進行更好的保護，使整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，工作相率更高。