交流異步電機軟起動及優化節能控制技術研究

(a)限流起動(b)電壓斜坡起動(c)轉矩控制起動

(d)轉矩加突跳控制起動(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。它的缺點是起動轉矩小，且轉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矩所對應的電壓值，然后按設定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據負載特性調整。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)轉矩控制起動：主要用在重載起動，它是按電動機的起動轉矩線性上升的規律控制輸出電壓，它的優點是起動平滑、柔性好，對拖動系統有利，同時減少對電網的沖擊，是最優的重載起動方式。它的缺點是起動時間較長。

(4)轉矩加突跳控制起動：轉矩加突跳控制起動與轉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矩，克服拖動系統的靜轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時應特別注意。

(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矩，盡可能地縮短起動時間，是最優的輕載軟起動方式。各種軟起動方式的相應起動曲線見圖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的反慣性沖擊，對于水泵就是“水錘”效應；制動停車則在一定場合代替了反接制動停車功能。

2．4軟起動器與傳統降壓起動器的比較

軟起動器與傳統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)生產設備精密，不允許起動沖擊，否則會造成生產設備和產品不良后果的場合；

(2)電動機功率較大，若直接起動，要求主變壓器

產品主要性能	數字式軟起動器	磁控降壓起動器	自耦降壓起動器
起動特性	軟特性：用戶可以調整	特性較硬：不能調整	硬特性：不能調整
起動電流特性曲線
起始電壓	0～380V任意可調	200V左右：用戶不能調整	250V左右：用戶不能調整
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整	(2～3)IN以上，不能調整	(3～5)IN以上，不能調整
電機轉矩特性	沒有沖擊轉矩，力矩勻速平滑上升	1次沖擊轉矩后，力矩勻速平滑上升	力矩跳躍上升，有2次沖擊轉矩
負載適應能力	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	區域恒流軟起動	分段式恒壓起動
執行元件	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軟起動器與傳統降壓起動器的比較

容量加大的場合；

(3)對電網電壓波動要求嚴格，對壓降要求≤

10％UN的供電系統；

(4)對起動轉矩要求不高，可進行空載或輕載起

動的設備。

嚴格地講，起動轉矩應當小于額定轉矩50％的拖動系統，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。因為軟起動器調壓不調頻，轉差功率始終存在，難免產生過大的起動電流；而變頻器采用調頻調壓方式，可實現無過流軟起動，且可提供1.2～2倍額定轉矩的起動轉矩，特別適用于重載起動的設備。但是變頻器的價格要比軟起動器的價格高得多了。

3異步電動機經濟運行和優化節電控制技術

3．1異步電動機降壓節電技術概述

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矩也迅速下降而小于負載轉矩，電動機只能依靠增大轉差率，提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平衡的狀態。轉差率的增大，引起轉子電流增大，同時引起定子和轉子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉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，甚至發生電動機燒毀事故。因而，一般規程都規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，在經濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉差率大大小于額定值，轉子電流并不大，在降壓運行時，轉子電流增加的數值有限。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同時得到改善。由此可見，電動機的運行經濟性與電動機負載率同運行電壓是否合理匹配關系極大。理論分析表明電動機的力能指標（運行效率與功率因數）與其端電壓之間存在如下的數量關系[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差率；cosφN和cosφ為電動機額定工況和降壓運行的功率因數；

ηN和η為電動機額定工況和降壓運行的效率；

KU為電動機的調壓系數，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，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電的目的，只有當電壓降低程度大于轉差率及功率因數上升程度時，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系呈馬鞍形曲線，對應于每一個輸出功率（或負載系數），必然存在一個最佳調壓系數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節系數。不同負載下最佳電壓調節系數KUm可按電動機的負載系數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，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，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電措施后，節約電能的計算公式為：

節約的有功功率ΔP為：

ΔP=(ΣPN－PO)β2(1－1/KU2)＋ΣPN(1－KU2)(4)

節約的無功功率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）。

節約的電能ΔAC為：

ΔAC=Tec(ΔP＋KQΔQ)(6)

式中：KQ為無功經濟當量，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優化節電的控制依據

(1)功率因數（cosφ）控制法

最早出現的異步電機優化節電器為Nolacosφ功率因數控制器,其原理是通過檢測電動機運行中的cosφ值，與預先設定的基準值比較，當實際值低于設定值時，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測量值達到設定值為止，實現了節電；cosφ數值高表明是重載，則升高電機端電壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節電法：控制對象是電動機的功率因數，而目的是節電。由于交流異步電機的最佳功率因數在全工作范圍內呈曲線變化；不同制造廠生產的同一規格的異步電機的功率因數呈一定的離散性；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也呈現一定的離散性，這就給設計和調整帶來一定的困難。故這種方法不能達到最佳節電效果，并且理論與實踐都已證明，過高的功率因數值對于異步電機來說，并不節電。

（2）最小輸入功率法

交流異步電機工作時，從電網輸入的電功率P1，一部分轉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，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，實現最優節電目的。