電機啟動方式分析論文

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摘要：自從第1臺電動機問世以來，工程師們就一直在尋找一種合適的方法以避免電動機的突然、劇烈啟動。曾經也試過好幾種“方法”，但是這些“方法”都必須借助其它的物體才能達到目標，無一能從根本上解決這一問題。不過，新型軟啟動器問世最終解決了這一難題。現在，ABB公司將簡單的布線與電子力學相結合，成功地開發出一系列新型軟啟動器，使軟啟動研究又前進了一大步。這種新型軟啟動器不僅可以在電動機啟動過程中對電流和電壓實現超級電子控制，還增加了幾個新的設計靚點。

關鍵詞：電動機軟啟動器

1前言

滑雪的人都明白這樣一個道理：突然、急劇的拉動容易使人摔倒。而在工業應用方面，許多企業每年都要為他們所使用的電動機(用于驅動風扇、壓碎機、攪拌器、水泵、傳送帶等等)的這種突然、急劇啟動浪費數百萬美元，每天都有數不盡的交流電動機在不必要的處于重荷之下。

交流電動機的這種突然而劇烈的啟動主要會造成以下幾個方面的損失：

(1)直接在線啟動或星－三角啟動產生的電壓和電流瞬變容易導致電氣故障。電壓和電流的瞬變現象可能導致當地的電網過荷，從而引起不良的電壓變化，并最終影響到同電網中的其它電氣設備。

(2)導致從電動機到啟動設備及到強應力等這一整個驅動鏈的機械故障。

(3)運行故障：例如使管路系統產生壓力振動，對傳送帶上的產品造成損壞，以及使電梯乘坐不舒適。

此外，經濟效益問題也是很明顯的：每一個技術問題，每一次的故障，都會因維修甚至暫停生產而導致經濟損失。在工業企業的生產中，這就會導致預算外生產成本的增加。

2軟啟動器的開發歷程

交流電動機的啟動問題由來已久，人們一直在試圖找出一種能夠徹底解決問題的辦法，在此過程中，先后主要研究開發了下面幾種啟動方式。

2.1星－三角啟動器

星－三角啟動器是一個較早的解決辦法。在啟動過程中，電網的相位接頭和中性接頭之間，電動機定子繞組與啟動器進行星型連接，從而可以降低電動機電壓，及至降低電流大約(圖1);一旦克服主慣量之后，電動機定子繞組在電網相位接頭之間的連接就呈三角形，以獲得滿電壓和功率。然而，這種啟動器不能從根本上消除機械和電氣瞬變現象，只能使其稍微減弱，使他們穿過時間軸上的兩個點——從隨后的星－三角切換至原點。

星－三角啟動法只適用于正常工況，在其它工況下，從星形到三角形之間的切換有時候比直接在線啟動情況還要糟糕。

因此，星－三角啟動器對于該問題來說只能算是一個粗淺而有限的解決辦法。

2.2滑環電動機

另一個早期的解決辦法就是滑環電動機，該電動機由一個經滑環與轉子電路連接的啟動變阻器啟動。采用這種方法，雖然電動機的扭矩仍能維持在足以啟動負荷的必要水平，但啟動電流已經降低了。

在啟動過程中，電動機獲得速度，轉子電阻逐漸降低，一旦啟動變阻器完全脫離電路，電動機就可達到其最大轉速，轉子繞組也在該點短路，因此，電動機由此點開始作為普通的鼠籠式電動機運行。

滑環電動機的優點是扭矩較高而啟動電流受到限制，主要適用于啟動負荷較高的電動機，如壓碎機和磨坊用電動機；而其不利之處就在于它的機械和電氣結構過于復雜，且電刷、滑環、電阻器和接頭的使用又使成本(包括維護成本)增加，可靠性降低。

2.3頻率轉換器

頻率轉換器從技術來說要優于上述兩種解決方法：因為它可以在電動機從啟動到正常運行再到停機的每一次運行循環中，對轉速、扭矩和功率等所有相對變量進行精確控制；另一個重要的優點就是其控制設備為靜態，即沒有移動部件。其可靠性因而也提高了，維護工作量很小。

然而，頻率轉換器的缺點是前期投資成本相對過大，這一點限制了其在很多領域的應用，尤其在那些正常運行中實際上并不要求定時控制的設備中的應用。

不過，隨著技術的不斷更新以及價格的下降，頻率轉換器已經贏得了很大的市場。今天，它已在實際應用中取代了滑環電動機。

2.4軟啟動器

軟啟動器于20世紀70年代末到80年代初投入市場，它與頻率轉換器相似，同樣以電子和可控硅為基礎。可以這樣說，它填補了星－三角啟動器和頻率轉換器在功能實用性和價格之間的鴻溝。采用軟啟動器，可以控制電動機的電壓，使其在啟動過程中逐漸地升高，很自然地限制啟動電流(圖1)。這就意味著電動機可以平穩地啟動，機械和電應力也降至最小；該裝置還有一種附帶的功能，即可用來“軟”停機。

由于該啟動器采用電子式電路，可以相對比較容易地通過安全和事故指示燈增強其基本功能，改善電動機的保護，簡化故障查找，如失相、過電流和超高溫保護，以及正常運行、電動機滿電壓和某些故障指示。象斜坡電壓和初始電壓等所有設定值都可以很容易地在啟動器面板上設定。

另外，軟啟動器除了完全能夠滿足電動機平穩啟動這一基本要求外，還具有很多優點，比如可靠性高、維護量小、電動機保護良好以及參數設置簡單。

然而軟啟動器仍有一個缺陷，那就是不能長時間用于啟動扭矩要求很高的電動機驅動裝置上。這種局限性主要因為，軟啟動器實際上是靠將自身電壓斜坡式抬升至最大值(而在停機過程中又逐漸下降至設定的關機水平)來完成工作。由于扭矩與電壓平方成正比，連接電動機不能從一開始就達到最大扭矩，因此，軟啟動器更適合于水泵、風扇、傳送帶、電梯等輕型易啟動的設備。

3ABB新型軟啟動器系列

ABB自從20世紀80年代初就開始研制生產軟啟動器，其間所獲得的寶貴經驗已經成功地應用到今天的新系列產品設計之中。最新的PSS系列在許多方面進行了改進(圖2)，適用于電流3～515A，電源電壓208～690V的電動機。

這種新產品系列具有以下幾個重要的特點：

(1)集成化：在一定的安裝平面上可以安裝更多的軟啟動器。

(2)易于安裝：該裝置可以用螺絲釘固定到安裝板(只需4個孔)上，或者，固定在安裝軌上。這兩種安裝方式的電纜連接都很方便，且面板上有清晰的操作提示。

(3)設置方便：由于只有3種設置(啟動電壓斜坡、停機電壓斜坡和初始電壓)，軟啟動器的適用范圍很廣，面板上刻度標識非常清晰的旋轉開關有助于你很方便地設定這些值。

(4)固態電路：這有利于確保最高的可靠性，并將維護工作降至最低限度，即使對于啟動和停機非常頻繁的設備依然如此。

3.1“內三角”連接

PSS系列中絕大部分啟動器都可以與電動機的三角形電路連接，其結果就象一個星－三角啟動器(圖3)，稱之為“內三角”連接。這種連接可使軟啟動器的電流負荷降低，從而使電流控制范圍擴大至515A，可以滿足任何較小的應用設備，并能夠為用戶節約更多的空間和金錢。

3.2設計安全耐用

該裝置外包裝堅固，并且對所有有生命的東西均有良好的絕緣，因此，不怕野蠻裝卸，不會對人產生危險。其電路也基本上是無故障設計，即使遇到很難出現的內部故障，該裝置也會自動關機以保護所連接的其它設備。

3.3SS03……253～25A集成軟啟動器

該系列軟啟動器設計用于額定電流在3～25A，主電壓分別為230V、400V、500V以及600V的小型電動機，可以并排安裝在DIN軌道上。這些啟動器在主電路上都配備有旁路接頭，可在正常運行時替代可控硅以減少發熱。

每個啟動器都可以與控制電壓范圍在24～110V的AC/DC或者110～480V的AC電路連接，從而減化與現有控制系統的接入程序，減少該裝置的換代更新次數。

3.4PSS18/30……30/515適用于18～515A的通用啟動器

這種系列的啟動器適用于大型電動機，且安裝和適應性更強。該系列啟動器適用于額定電流為18～300A的電動機，由于它們可以象星－三角啟動器一樣接入三角電路(圖3)，適用電流最高可達515A。這一特性使其能夠比任何同類產品都更容易替代現有的星－三角啟動器以實現更為平穩的啟動(和停機)。

固態電路設計(主電路上無機電接頭)使這種啟動器特別適用于那些需要頻繁啟動和停機的電動機驅動裝置。

所有該系列的啟動器均可與一個單獨的限制電路連接，從而可設定一個能與任何斜坡時間接近的最大啟動電流。該功能簡化了設置，尤其對于那些啟動時間很長、慣量很高的設備更是如此。

這種啟動器還配備了4個LED指示燈，分別表示“開機”、“滿電壓”、“外部故障”和“一般故障”以及1個內置式重大故障指示繼電器。這些診斷功能簡化了監測及故障識別。

該系列啟動器的設計適用系數為110％～115％，換句話說它們可以處理連接電動機的過電流問題。

內置式旁路信號繼電器可用于控制在連續運行或當利用同一啟動器先后啟動幾臺電動機時所需的旁路可控硅接頭。

4結束語

軟啟動器對于工業企業來說其好處可謂比比皆是。很少有某個生產場所不需要電動機作為驅動設備，不會得益于ABB的新型軟啟動器，這是許多ABB軟啟動器的受益人所得出的共同結論。軟啟動器的強大的適用功能和精巧的設計特點使其在許多現代企業的“必備設備”清單之列中亦占有一席之地。