異步電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)

a.介紹

在起動(dòng)電機(jī)的時(shí)候，電源會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的浪涌電流，尤其是在使用不合格電源線的情況下。

這個(gè)電流會(huì)導(dǎo)致壓降，影響負(fù)載運(yùn)行。這種壓降可能給照明設(shè)備中帶來(lái)比較明顯的影響。

為了消除這種效應(yīng)，某些部門(mén)規(guī)定禁止使用帶有直接起動(dòng)系統(tǒng)，并且功率超過(guò)給定范圍的電機(jī)。關(guān)于這方面的內(nèi)容，請(qǐng)參見(jiàn)第K34和K39頁(yè)中DistributionBT1999/2000產(chǎn)品目錄以及NFC15-100標(biāo)準(zhǔn)允許的壓降表。

根據(jù)電機(jī)和負(fù)載的規(guī)格，可以把起動(dòng)系統(tǒng)分為若干種。

用戶在選擇起動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候，需要考慮到電氣、機(jī)械需求以及經(jīng)濟(jì)效益問(wèn)題，同時(shí)也要兼顧驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。

b.主要起動(dòng)模式

1.直接起動(dòng)

這是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)模式，定子直接連接到電源(圖1)。電機(jī)按照自己的特性起動(dòng)。

在電機(jī)通電后，其工作與變壓器二次側(cè)類似，其中副邊由短路的超低電阻轉(zhuǎn)子籠形成。在轉(zhuǎn)子中有一個(gè)較高的感應(yīng)電流，這個(gè)電流會(huì)導(dǎo)致電源內(nèi)的電流達(dá)到峰值：

起動(dòng)時(shí)的電流=5到8倍的額定電流。

平均起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：

T(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩)=0.5到1.5倍的額定力矩T。

雖然直接起動(dòng)有一些優(yōu)勢(shì)(設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高，起動(dòng)快速，成本低)，但是只適用于以下場(chǎng)合：

與電源相比，電機(jī)的功率較低，從而可以限制浪涌電流產(chǎn)生的干擾。要驅(qū)動(dòng)的機(jī)器不需要逐步加速，或者有一個(gè)減震設(shè)備限制起動(dòng)時(shí)的震動(dòng)。要求立即達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可能比較高，不會(huì)影響機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)或者被驅(qū)動(dòng)的負(fù)載。

2.星-三角起動(dòng)

這種起動(dòng)系統(tǒng)(圖2)只能用于三個(gè)定子繞組末端都安裝到端子排的電機(jī)。

另外，必須完成繞組設(shè)置，以便三角連接與電源電壓相匹配：比如380V的三相電源需要使用帶380V三角和660V星型線圈的電機(jī)。

這種起動(dòng)系統(tǒng)的原理就是連接電源電壓的星型繞組，將電機(jī)的額定星型電壓均分到交流三相(在上面的例子中，電源電壓380V=660V/√3。起動(dòng)電流峰值(SC)除以3：SC=1.5到2.6RC(RC為額定電流)。

星型連接的380V/660V電機(jī)在660V的額定電壓下吸收的電流小于380V下三角連接的√3倍。在380V的星型連接下，電流再次除以√3，也就是總共除以3。

因?yàn)槠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩(ST)與電源電壓的平方成正比，所以也除以3：ST=0.2到0.5RT(RT為額定轉(zhuǎn)矩)當(dāng)電機(jī)和抵抗轉(zhuǎn)矩彼此相抵，電機(jī)速度會(huì)穩(wěn)定下來(lái)，通常為額定速度的75-85%。接下來(lái)繞組為三角連接，電機(jī)恢復(fù)自身的特性。

從星型連接到三角連接的變化是由一個(gè)定時(shí)器控制的。在星型接觸器閉合30到50毫秒以后，三角接觸器會(huì)閉合，防止相間短路(因?yàn)閮蓚€(gè)接觸器不能同時(shí)閉合)。

在星型接觸器開(kāi)啟以后，流過(guò)繞組的電流中斷;在三角接觸器閉合以后，繞組電流恢復(fù)。在轉(zhuǎn)換到三角連接的過(guò)程中，因?yàn)殡姍C(jī)會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償性點(diǎn)動(dòng)力，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的瞬間峰值電流。

星型-三角起動(dòng)適用于負(fù)載轉(zhuǎn)矩較低或者無(wú)負(fù)載起動(dòng)的機(jī)器(比如鋸木機(jī))。可能需要借助額外的功能將瞬間電流現(xiàn)象限制在特定的功率以上，比如在從星型連接轉(zhuǎn)換到三角連接的時(shí)候設(shè)法產(chǎn)生一個(gè)1-2秒的延遲。這種延遲可以減弱補(bǔ)償性電移阻力，從而抑制瞬間峰值電流。只有當(dāng)機(jī)器有足夠的慣性，可以避免在延遲過(guò)程中大幅度減速的情況下，才能使用這種延遲功能。

另外一種系統(tǒng)是3步起動(dòng)系統(tǒng)：星型-三角+電阻-三角。仍然存在電流中斷，但是與三角連接繞組串連的電阻器可以在大約三秒鐘的時(shí)間內(nèi)降低瞬間電流，這樣一來(lái)就可以防止電流中斷，從而防止出現(xiàn)瞬態(tài)現(xiàn)象。

如果使用這些額外功能，那么就需要增加元器件，這樣一來(lái)可能會(huì)顯著增加設(shè)備的成本。

3.局部繞組電機(jī)起動(dòng)

此系統(tǒng)(圖3)在歐洲用的不太多，但是在北美市場(chǎng)(230/460電壓，比例1：2)應(yīng)用非常廣泛。

這種電機(jī)的定子繞組分成兩個(gè)并聯(lián)繞組，共有6個(gè)或12個(gè)輸出端子。它相當(dāng)于兩個(gè)功率相同的“半電機(jī)”。在起動(dòng)的時(shí)候，將一個(gè)“半電機(jī)”直接連到整個(gè)電源電壓，將起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩均分成近似相等的兩半。不過(guò)，此時(shí)的轉(zhuǎn)矩比采用星型-三角起動(dòng)的等功率鼠籠電機(jī)更大。

在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束的時(shí)候，第二對(duì)繞組被連接到電源。此時(shí)峰值電流較低，而且持續(xù)時(shí)間較短，這是因?yàn)殡姍C(jī)尚未與電源斷開(kāi)，滑差很小。

4.電阻定子起動(dòng)

在這個(gè)系統(tǒng)中(圖4)，因?yàn)榻尤氲碾娮枧c繞組串聯(lián)，所以降低了電機(jī)起動(dòng)電壓。在速度穩(wěn)定以后，切斷電阻連接，電機(jī)直接連到電源上。這個(gè)過(guò)程通常由一個(gè)時(shí)間繼電器控制。這種起動(dòng)方法不會(huì)改變電機(jī)繞組的連接，因而每個(gè)繞組的兩端不需要端子板輸出。根據(jù)起動(dòng)時(shí)的最大峰值電流或者要驅(qū)動(dòng)的機(jī)器的抵抗轉(zhuǎn)矩所需的最小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)計(jì)算電阻值。一般情況下，起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩值為：

●SC=4.5RC

●ST=0.75RT

在使用電阻加速的階段，施加在電機(jī)端子上的電壓不是恒定的，但是等于電源電壓減去起動(dòng)電阻上的壓降。壓降與電機(jī)吸收的電流成正比。在電機(jī)加速過(guò)程中，隨著電流的減小，電阻上的壓降也減少。因而，施加在電機(jī)端子上的電壓在起動(dòng)的時(shí)候最低，然后逐漸升高。因?yàn)檗D(zhuǎn)矩與電機(jī)端子電壓的平方成正比，因而增加的速度比星型-三角起動(dòng)(電壓在整個(gè)星型連接階段保持恒定)要快。

因而，這種起動(dòng)系統(tǒng)適用于阻力矩隨速度增加的機(jī)器，比如風(fēng)機(jī)和離心泵。它的缺點(diǎn)是在起動(dòng)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電流。雖然可以通過(guò)增加電阻值來(lái)降低此電流，但是這樣一來(lái)會(huì)進(jìn)一步降低電機(jī)端子上的壓降，從而使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大大降低。

另外一方面，在起動(dòng)結(jié)束的時(shí)候不再有電阻，并且不會(huì)中斷電機(jī)電源，因而不存在短時(shí)停滯現(xiàn)象。

5.自耦變壓器

電機(jī)在較低的電壓下由一個(gè)自耦變壓器驅(qū)動(dòng)，在起動(dòng)結(jié)束后，該自耦變壓器會(huì)被旁路(圖5)。

起動(dòng)過(guò)程分為如下三步：

在第一階段，自耦變壓器為星型連接，接下來(lái)電機(jī)會(huì)通過(guò)自動(dòng)變壓繞組的一部分連接到電源。該過(guò)程的運(yùn)行電壓較低，取決于自耦系數(shù)。

自耦變壓器通常采用抽頭連接的方式，以便用戶選擇合適的自耦系數(shù)，進(jìn)而確定最合適的降壓值，

在達(dá)到全壓之前，會(huì)打開(kāi)星型連接。線圈的一部分連接到電源，繼而用作與電機(jī)串聯(lián)的電感。在第一階段結(jié)束速度達(dá)到平衡時(shí)會(huì)開(kāi)始這種操作。

第二階段一般只持續(xù)不到一秒鐘，然后實(shí)現(xiàn)全壓連接。與電機(jī)串聯(lián)的自耦變壓器繞組片會(huì)被短路，自耦變壓器被關(guān)閉。

電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按照同樣的比例變化。它們要除以(電源電壓/降壓的平方)。

得到的數(shù)值為：

●SC=1.7到4RC

●ST=0.5到0.85RT

起動(dòng)過(guò)程中不會(huì)中斷電機(jī)電流，因而不會(huì)出現(xiàn)斷流所導(dǎo)致的短時(shí)停滯現(xiàn)象。

不過(guò)，如果沒(méi)有采取足夠的保護(hù)措施，那么在全壓連接時(shí)仍然可能出現(xiàn)類似的瞬態(tài)現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诖蜷_(kāi)星型連接以后，與電機(jī)串連的電感比電機(jī)電感高，這樣一來(lái)就會(huì)產(chǎn)生大幅度的壓降，從而導(dǎo)致在全壓連接時(shí)出現(xiàn)較高的瞬態(tài)峰值電流。

為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，在自耦變壓器中的磁回路帶有一個(gè)氣隙，可以降低電感值。

這個(gè)值是通過(guò)計(jì)算確定的，可以防止在第二階段星型連接打開(kāi)的時(shí)候電機(jī)端子出現(xiàn)任何電壓變化。

這個(gè)氣隙會(huì)增加自耦變壓器中的磁化電流。在自耦變壓器被加電的時(shí)候，該電流會(huì)增加電源中的浪涌電流。

這個(gè)起動(dòng)系統(tǒng)通常用于功率超過(guò)150kW的低壓電機(jī)。不過(guò)，因?yàn)樽择钭儔浩鞯某杀据^高，所以會(huì)導(dǎo)致設(shè)備價(jià)格比較昂貴。

6.滑環(huán)電機(jī)起動(dòng)

滑環(huán)電機(jī)不能在轉(zhuǎn)子繞組被短路的情況下直接起動(dòng)，否則會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的峰值電流。

因而，必須在轉(zhuǎn)子回路中插入電阻器(圖6)，然后逐漸短路，并用全部電源電壓驅(qū)動(dòng)定子。在每個(gè)階段插入的電阻都經(jīng)過(guò)計(jì)算，以確保轉(zhuǎn)矩-速度曲線的精確度。

因此，必須在起動(dòng)的時(shí)候?qū)⑵渫耆迦?，并在完全短路的時(shí)候達(dá)到全速。吸收電流或多或少與轉(zhuǎn)矩成正比，其最大值只比理論值大一點(diǎn)。比如，如果起動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于2倍額定轉(zhuǎn)矩，峰值電流約為2倍的額定電流。因此與鼠籠電機(jī)相比，這個(gè)峰值要低得多，而最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要高得多。對(duì)鼠籠電機(jī)來(lái)說(shuō)，如果直接連接到電源，那么1.5時(shí)的峰值電流約為6。

對(duì)所有需要低峰值電流和全負(fù)載起動(dòng)的機(jī)器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)子起動(dòng)的滑環(huán)電機(jī)都是最佳選擇。這種起動(dòng)非常平穩(wěn)，因?yàn)楹苋菀装凑諜C(jī)械和電氣(阻性轉(zhuǎn)矩、加速度、最大峰值電流等)要求調(diào)整各個(gè)階段的曲線的數(shù)量和形狀。

7.軟起動(dòng)器起動(dòng)/減速

這個(gè)起動(dòng)系統(tǒng)可以有效而平穩(wěn)地起動(dòng)和停止電機(jī)(圖7)(更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)講述電子速度控制器的章節(jié))。

它可以用于：限流和調(diào)整轉(zhuǎn)矩。

限流

限流控制功能可以在起動(dòng)階段設(shè)置一個(gè)最大電流(額定電流的3到4倍)，并降低轉(zhuǎn)矩性能。這種控制功能尤其適用于“渦輪機(jī)”(離心泵、風(fēng)機(jī))。

調(diào)整轉(zhuǎn)矩通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)矩來(lái)控制，可以在起動(dòng)過(guò)程中優(yōu)化轉(zhuǎn)矩性能，并降低電源的浪涌電流。

這適用于恒定轉(zhuǎn)矩的機(jī)器。

這種起動(dòng)器可以有多種圖示：

●單向操作

●雙向操作

●起動(dòng)完成后元件關(guān)閉

●軟起和軟停多臺(tái)電動(dòng)機(jī)(圖7)

●其它。

8.變頻器起動(dòng)

在必須控制和調(diào)整速度的場(chǎng)合，它是一種非常有效的起動(dòng)系統(tǒng)(圖8)(更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)參見(jiàn)講述電子速度控制器的章節(jié))。

它有如下用途：

●在高慣性負(fù)載條件下起動(dòng)

●起動(dòng)時(shí)電源負(fù)載較高，短路容量較低

●根據(jù)“渦輪機(jī)”的情況進(jìn)行調(diào)整，從而優(yōu)化耗電

這種起動(dòng)系統(tǒng)可以用于所有類型的機(jī)器。這種解決方案主要用來(lái)調(diào)整電機(jī)速度，而起動(dòng)功能則排在第二位。

異步電機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)

9.單相電機(jī)起動(dòng)

單相電機(jī)不能自行起動(dòng)，所以需要采用其它方法來(lái)運(yùn)行。

10.輔助相位起動(dòng)

在這種電機(jī)中(圖10)，定子有兩個(gè)偏置角度為90°的繞組。

在起動(dòng)電機(jī)以后，因?yàn)榫€圈是不一樣的，所以電流C1會(huì)流過(guò)主相位，而另外一個(gè)偏移π/2的較小的電流會(huì)在輔助相位內(nèi)流動(dòng)。兩個(gè)彼此間存在相移的電流

產(chǎn)生磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)生成的足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，可以觸發(fā)電機(jī)的無(wú)負(fù)載起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)達(dá)到速度的80%額定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以切斷(離心耦合)或者繼續(xù)運(yùn)行輔助相位。此時(shí)電機(jī)定子變?yōu)橐粋€(gè)兩相定子(在起動(dòng)的時(shí)候或者所有時(shí)間)。

可以將一個(gè)相位的連接反向，以便顛倒旋轉(zhuǎn)方向。因?yàn)槠饎?dòng)轉(zhuǎn)矩較低，所以應(yīng)該增加線圈產(chǎn)生的兩個(gè)磁場(chǎng)間的偏移角度，以便增加轉(zhuǎn)矩。

11輔助相位和電阻起動(dòng)

通過(guò)與輔助相位串聯(lián)的電阻器可以增加其阻抗以及C1和C2間的偏移。在起動(dòng)過(guò)程結(jié)束時(shí)的操作與只使用輔助相位一樣。

12輔助相位和電感起動(dòng)

這種起動(dòng)方式工作原理與上一種類似，但是將電阻器換成電感，電感與輔助相位串聯(lián)，以增加兩個(gè)電流之間的偏移。

13輔助相位和電容器起動(dòng)

這是最常用的設(shè)備(圖11)，其中電容器被設(shè)置在輔助相位。對(duì)于永久電容器來(lái)說(shuō)，在200W電機(jī)下的工作值為8uF。為了起動(dòng)，可能需要使用一個(gè)額外的16uF電容器，在起動(dòng)結(jié)束后就不再使用。

因?yàn)殡娙萜鳟a(chǎn)生的相移方向與使用電感的情況相反，所以在起動(dòng)和操作過(guò)程中，電機(jī)的工作方式類似于一個(gè)帶有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的雙相電機(jī)。

轉(zhuǎn)矩和功率因子都較高。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩ST是額定轉(zhuǎn)矩RT的三倍，最大轉(zhuǎn)矩Tmax可以達(dá)到2RT。

在起動(dòng)結(jié)束以后，雖然可以減少電容值，但是因?yàn)槎ㄗ拥淖杩乖黾恿?，所以最好保持電流間的相移。

下圖(圖11)給出了一個(gè)帶有永久連接電容器的單相電機(jī)。也可以采用其它設(shè)置，比如在達(dá)到指定速度以后打開(kāi)相移回路。

如果配備了起動(dòng)電容器并連接了永久電容器，那么三相電機(jī)(230/400V)可以使用230V單相電源。這種操作減少了工作功率(降容約為0.7)、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和熱儲(chǔ)備。

只有不超過(guò)4kW的低功率4極電機(jī)適用于本系統(tǒng)。制造商為用戶提供了電容器選型表，在其中給出了相應(yīng)的數(shù)值。

14.屏蔽磁極繞組起動(dòng)

本設(shè)備(圖12)用于超低功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)(大約一百瓦)。磁極帶有凹口，將短路導(dǎo)電環(huán)插在里面。此設(shè)備產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)發(fā)生畸變，觸發(fā)起動(dòng)過(guò)程。

本設(shè)備的效率較低，但是適用于上述功率范圍。