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淺談三相異步電動機軟啟動控制與保護
日期：2024-09-23 10:20
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摘要：軟啟動的調壓模塊一般由三相反并聯晶閘管組成，可以通過改變晶閘管的觸發角改變定子的電壓，方便控制，性能良好。文章對三相異步電機的啟動進行概述，分析了軟啟動的原理和特性，介紹了軟啟動系統構成及作用，同時分析了軟啟動技術的優越性和實用性。
張娟
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 2018011
摘 要：軟啟動的調壓模塊一般由三相反并聯晶閘管組成，可以通過改變晶閘管的觸發角改變定子的電壓，方便控制，性能良好。文章對三相異步電機的啟動進行概述，分析了軟啟動的原理和特性，介紹了軟啟動系統構成及作用，同時分析了軟啟動技術的優越性和實用性。
關鍵詞：三相異步電動機；軟啟動控制技術；晶閘管
0引言
傳統電動機啟動，對電力系統的各個部件造成重大影響，降低它們的使用壽命，甚至可能形成電網電壓驟降，從而影響電力系統的**運轉，直接影響電網中的其余電氣設施運轉狀態。如此大的電流不但加重了輸入線路、供電網和電機前方的開關設施的負載，巨大的轉矩沖擊導致電機產生劇烈的脈沖。還給用于動力傳遞的輔助設施，如三角帶、傳動機構和用于動力傳遞的機械設備帶來了機械沖擊，并且無法避免。
電動機頻繁使用，再加上它直接啟動帶來的各種危害，一種新的啟動方式——軟啟動應運而生，如今軟啟動已廣泛應用到各個領域，與傳統啟動方式相比具有很多優勢，而且軟啟動也分為各種啟動的方式，各種方式應用于不同的領域，比如輕載，重載。同時，軟啟動所用材料也各有不同，不同的軟啟動材料也有不同的特點，也有各種不同的利弊。因為電機的問題，造成工廠出現事故，直接或者間接導致經濟重大的損失。
由此可以看出，電動機既是為數眾多，廣泛應用的動力設備，同時又是國民經濟的薄弱環節，電動機的研究保護設計以及正確的使用，對于國民經濟有著較重要的意義。
1三相異步電動機的啟動控制
1.1啟動過程
異步電動機在社會的各個領域有著廣泛的應用，各個行業如工業、農業、交通運輸業，都少不了異步電動機，可見它在日常生活中對人們的重要性。
電動機的電壓和電流呈正比，所以要把電壓全加到定子上的話可以減輕啟動電流過大的沖擊，這就是降壓啟動。一般降壓啟動的時候，在這樣的情況下，它們的數值都不會很高：就是啟動電流和啟動轉矩在電壓的情況下，一同增加，一同減小。像這樣的情況，更適合需求啟動電流和啟動轉矩都不高的場合。
為了更加便利，可以采用這樣的辦法：在電機啟動時，為了避免造成諧波過大，首先可以采用星型連接的方式，在啟動完成后把電路連接方式轉換成三角形連接。異步電動機啟動時要注意：啟動需要的設備不要復雜，要簡單，操作要方便；電動機要有特別大的啟動轉矩；啟動轉矩相同的情況下，啟動電流小的越適合人們應用，功率損耗越小的越受到廣泛應用。轉矩和啟動電流是電機啟動時的兩個重要參數，要兼顧這兩個方面來控制電動機的啟動。
三相異步電動機的電機的磁場與靜止轉子相對運動后，轉子的電流和感應電動勢在變大，定子也是如此。但是，過大的啟動電流會導致電壓下降，電壓下降過大會直接影響電網電力設備的運行。如果電壓降低，會使啟動轉矩無法達到需要的轉矩，即使啟動時間再長也會失敗。因而，使用大型變壓器的場所，小容量的三相異步電機方便啟動。
1.2啟動方法
1.2.1直接啟動
直接啟動方式如果頻繁地啟動電機，就會造成電壓降低，會導致電網電壓降低，從而電網中的設備正常運行受到影響，有時可能無法啟動或終止負載[3]。直接啟動應盡量避免電壓下降，否則一定會無法完成啟動并帶來不好的影響，電機無法正常的啟動會影響整個電力系統的運行。
1.2.2傳統減壓啟動
根據電壓幅度的大小能不能連續可調，可以分為分步調壓和逐級調壓。分級電壓調節是把電壓分成幾個層次，用較低的電壓水平啟動電動機，并在起動的過程中逐漸變大電壓幅值，一直到電動機啟動。
1.2.3軟啟動
三相反并聯晶閘管以星型方式連接，這樣的電流不會四處流動，四處流動會導致電路中的諧波變大，就好像三角形連接，這樣的連接效果就會導致電路中的諧波變大，損耗增加。啟動完成后，三相晶閘管的旁路接觸器會吸和，以免造成不必要的功率損失。這樣軟啟動的方式性能好，啟動方式平緩，方便于控制，方便于管理電流，缺點就是諧波大。
2三相異步電動機軟啟動原理和控制方式
2.1軟啟動的工作原理
晶閘管軟啟動原理如圖1所示，目的是改變異步電機兩端電壓。加在電機上的定子電壓逐漸升高額定電壓，實現了異步電機的軟啟動。啟動完成后，三相晶閘管部分被短路，以免浪費功率。軟啟動之所以用三相反并聯晶閘管，是因為軟啟動要用的是三相交流電源，所以要用到三相反并聯晶閘管，同時為了減小諧波，采用星型的連接方法，三端接到三相交流電源，一端接入電動機，保證了良好的啟動效果和高的效率。
三角形連接法的三次諧波可以流動，因此繞組中的電流增加，并且繞組的附加銅損耗增加。文章采用的軟啟動方式是星形連接，諧波少。工作時，需要不同的兩相正反相同時導通才可以。同時應注意繞組之間的相位關系，無論是正反向晶閘管的，還是不同相的晶閘管的。
2.2三相異步電機軟啟動的控制方式
2.2.1斜坡電壓啟動
電壓斜坡屬于開環控制，自調節能力差。啟動時間長，無限流環節，啟動中期電流較大，對設施構成損壞，對電網電能品質影響較大。此外，由于控制參數比較單一，控制參數通常由經驗選擇，動態效果不好。不管初始電壓以怎樣的線性斜度上升至額定電壓，上升至額定電壓后，都將保持穩定，上升的樣子就像個斜坡一樣，又叫斜坡電壓啟動。無論初始電壓以怎樣的斜率上升，終達到額定電壓就會趨于平穩，以此來保證電動機的順利運行。但斜坡電壓啟動無反饋系統，這樣不好控制，在此啟動過程中，啟動方法效果單一，只有控制電壓才能啟動。
2.2.2限流啟動
如果電流限制設置得小，啟動轉矩就會很小，從而無法啟動。因為這種方法的啟動轉矩不高，輕載情況更適用于限流啟動，電流先以線性上升，到上限電流后平穩，直到達到額定電壓，再恢復至額定電流，啟動成功。啟動成功后，電流值會從維持了一會的電流值下降，而之前的維持上限電流是為了等待電機成功啟動，而啟動成功后，則不需要電流如此之大，就會逐漸下降到額定電流。這樣的啟動方式，避免了配置的損壞，而上限電流雖然維持了一會但不會對設備造成太大的影響。
2.2.3轉矩斜坡啟動
轉矩斜坡啟動，轉矩曲線的設置應始終大于負載轉矩，并且速度不斷增加。后，將設定轉矩曲線與異步電動機起動時的輸出曲線進行比較，并依據誤差對晶閘管的觸發角進行調整。大型泵電機場合適合用轉矩斜坡啟動。大型泵電機多用大型磁鐵，而磁鐵能提供電磁轉矩，由于電磁轉矩較大，因此，轉矩斜坡啟動更適合大型泵電機啟動。因為負載屬于耗能器件，如果給的動力小于消耗的動力，則無法提供給電動機應有的動力，就會無法啟動。而隨著初始轉矩到達額定轉矩，電機達到額定轉速，初始轉矩就可以下降了，同時負載轉矩慢慢提高。
三相異步電機軟啟動工作原理中的交流調壓模塊是由三相反并聯晶閘管組成，控制方式有很多種，都是為了轉矩達到額定轉矩來工作的。這樣的控制方式避免了種種不利因素，以良好的啟動效果實現啟動。
3三相異步電動機軟啟動系統
電動機軟啟動系統模塊如圖2所示。三相交流電源下有同步電壓檢測模塊，電動機接有電流檢測模塊，SCR驅動電路、信號隔離電路都作用于反并聯晶閘管。晶閘管端電壓檢測模塊可以給功率因數角控制模塊發出信號，后32位ARM微處理器把信息投入到液晶顯示模塊和鍵盤輸入模塊，并且和RS485以太網進行信息互相交流。其詳細工作過程如下：LPC2378通過檢測起動接觸器的返回信號，了解電動機需要軟起動。當晶閘管觸發角和啟動時間小于閾值時，旁路啟動器閉合，并斷開啟動接觸器，使得電機與電網相連。這樣保證了系統能源的充分利用，使啟動后的電力資源直接供應給電機，這樣不僅方便了供電，還提升了電網設備的耐用性，這種方法為多數電廠設備所采用。三相晶閘管可以控制觸發角度，所以啟動時比較平滑，是連續的，便于啟動調節。
1）功率單元：主要由六個晶閘管組成，每相由兩個晶閘管逆并聯，每相晶閘管的兩端由旁路接觸器并聯，旁路接觸器用于啟動后的旁路軟起動器。并聯電容是為了濾波。
2）檢測單元：三相電壓經調節電路饋入控制器A/D通道，用于電壓監測、過壓、欠壓保護等。**種是利用檢測到的晶閘管電壓變換后的方波信號同時進入A/D通道，并饋入控制器計算電機的功率因數角。
3）晶閘管觸發單元：晶閘管觸發單元能改變定子電壓，實現驅動，是因為晶閘管觸發單元能與三相交流電源與三相異步電動機相連。
4）外圍拓展單元：這些單元包括信號處理、信號隔離、功率放大、運行參數和故障信息檢測顯示，還有鍵盤輸入電路等。外圍拓展的單元基本包含了與外部器件相關的功能與應用。
文章對系統的硬件部分做了分析與應用，同時對硬件部分在系統中的應用做了介紹。硬件部分有主要器件、電源模塊、主電路、同步信號采集模塊、電流檢測電路，它們是硬件部分的各個模塊，起到不同的作用。
4安科瑞ARD系列智能電動機保護器介紹與綜合選型
4.1產品簡介
ARD該系列低壓電動機保護器，具有過載、斷相、不平衡、欠載、接地/漏電、堵轉等保護功能。可與接觸器、電動機起動器等電器元件構成電動機控制保護單元，具有遠程自動控制、現場直接控制、面板指示、信號報警、現場總線通信等功能。應用范圍：可廣泛應用于煤礦、石化、冶煉、電力、建筑等行業的配電領域。
4.2產品選型
產品功能
說明：“√”表示具備“■”表示可選
5結束語
文章介紹了三相異步電機的各個方面，包括了它的啟動過程、啟動方法、硬件設計、軟件設計。在三相異步電機的啟動過程中，應盡量避免電壓降，過大的啟動電流，同時啟動轉矩也應該列為重要的參數之一，不斷觀察啟動轉矩，以免電動機啟動失敗。眾多啟動方法中，應用參數用到了電壓、電流、電磁轉矩，這些都可以作為電機啟動過程中啟動的因素。今后電機的啟動的發展方向會趨向節能，保護電機，效率高，耐用性高的方向，三相晶閘管應用更受大多數電機的應用，在以后的應用中應該加入一個快速熔斷器，防止在調壓的過程中晶閘管的損壞。
【參考文獻】
[1]馬勇,陶玉麒,蔡桂民.基于 DSP 的電機軟啟動控制系統研究與設計[J].電工技術,2016(10):1-2.
[2]劉攀，梁里鵬.三相異步電動機軟啟動控制技術研究[J].機電技術應用，2020(04):165-166.
[3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版.
作者簡介：
張娟，女，本科安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為電動機保護器的設計與應用
