思考电机启动的方法

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　　摘要：自从第1台电动机问世以来，工程师们就一直在寻找一种合适的方法以避免电动机的突然、剧烈启动。曾经也试过好几种“方法”，但是这些“方法”都必须借助其它的物体才能达到目标，无一能从根本上解决这一问题。不过，新型软启动器问世最终解决了这一难题。现在，ABB公司将简单的布线与电子力学相结合，成功地开发出一系列新型软启动器，使软启动研究又前进了一大步。这种新型软启动器不仅可以在电动机启动过程中对电流和电压实现超级电子控制，还增加了几个新的设计靓点。

　　关键词：电动机 软启动器

　　1　前言

　　滑雪的人都明白这样一个道理：突然、急剧的拉动容易使人摔倒。而在工业应用方面，许多企业每年都要为他们所使用的电动机(用于驱动风扇、压碎机、搅拌器、水泵、传送带等等)的这种突然、急剧启动浪费数百万美元，每天都有数不尽的交流电动机在不必要的处于重荷之下。

　　交流电动机的这种突然而剧烈的启动主要会造成以下几个方面的损失：

　　(1)直接在线启动或星-三角启动产生的电压和电流瞬变容易导致电气故障。电压和电流的瞬变现象可能导致当地的电网过荷，从而引起不良的电压变化，并最终影响到同电网中的其它电气设备。

　　(2)导致从电动机到启动设备及到强应力等这一整个驱动链的机械故障。

　　(3)运行故障：例如使管路系统产生压力振动，对传送带上的产品造成损坏，以及使电梯乘坐不舒适。

　　此外，经济效益问题也是很明显的：每一个技术问题，每一次的故障，都会因维修甚至暂停生产而导致经济损失。在工业企业的生产中，这就会导致预算外生产成本的增加。

　　2　软启动器的开发历程

　　交流电动机的启动问题由来已久，人们一直在试图找出一种能够彻底解决问题的办法，在此过程中，先后主要研究开发了下面几种启动方式。

　　2.1　星-三角启动器

　　星-三角启动器是一个较早的解决办法。在启动过程中，电网的相位接头和中性接头之间，电动机定子绕组与启动器进行星型连接，从而可以降低电动机电压，及至降低电流大约(图1);一旦克服主惯量之后，电动机定子绕组在电网相位接头之间的连接就呈三角形，以获得满电压和功率。然而，这种启动器不能从根本上消除机械和电气瞬变现象，只能使其稍微减弱，使他们穿过时间轴上的两个点——从随后的星-三角切换至原点。

　　星-三角启动法只适用于正常工况，在其它工况下，从星形到三角形之间的切换有时候比直接在线启动情况还要糟糕。

　　因此，星-三角启动器对于该问题来说只能算是一个粗浅而有限的解决办法。

　　2.2　滑环电动机

　　另一个早期的解决办法就是滑环电动机，该电动机由一个经滑环与转子电路连接的启动变阻器启动。采用这种方法，虽然电动机的扭矩仍能维持在足以启动负荷的必要水平，但启动电流已经降低了。

　　在启动过程中，电动机获得速度，转子电阻逐渐降低，一旦启动变阻器完全脱离电路，电动机就可达到其最大转速，转子绕组也在该点短路，因此，电动机由此点开始作为普通的鼠笼式电动机运行。

　　滑环电动机的优点是扭矩较高而启动电流受到限制，主要适用于启动负荷较高的电动机，如压碎机和磨坊用电动机;而其不利之处就在于它的机械和电气结构过于复杂，且电刷、滑环、电阻器和接头的使用又使成本(包括维护成本)增加，可靠性降低。

　　2.3　频率转换器

　　频率转换器从技术来说要优于上述两种解决方法：因为它可以在电动机从启动到正常运行再到停机的每一次运行循环中，对转速、扭矩和功率等所有相对变量进行精确控制;另一个重要的优点就是其控制设备为静态，即没有移动部件。其可靠性因而也提高了，维护工作量很小。

　　然而，频率转换器的缺点是前期投资成本相对过大，这一点限制了其在很多领域的应用，尤其在那些正常运行中实际上并不要求定时控制的设备中的应用。

　　不过，随着技术的不断更新以及价格的下降，频率转换器已经赢得了很大的市场。今天，它已在实际应用中取代了滑环电动机。

　　2.4　软启动器

　　软启动器于20世纪70年代末到80年代初投入市场，它与频率转换器相似，同样以电子和可控硅为基础。可以这样说，它填补了星-三角启动器和频率转换器在功能实用性和价格之间的鸿沟。采用软启动器，可以控制电动机的电压，使其在启动过程中逐渐地升高，很自然地限制启动电流(图1)。这就意味着电动机可以平稳地启动，机械和电应力也降至最小;该装置还有一种附带的功能，即可用来“软”停机。

　　由于该启动器采用电子式电路，可以相对比较容易地通过安全和事故指示灯增强其基本功能，改善电动机的保护，简化故障查找，如失相、过电流和超高温保护，以及正常运行、电动机满电压和某些故障指示。象斜坡电压和初始电压等所有设定值都可以很容易地在启动器面板上设定。

　　另外，软启动器除了完全能够满足电动机平稳启动这一基本要求外，还具有很多优点，比如可靠性高、维护量小、电动机保护良好以及参数设置简单。

　　然而软启动器仍有一个缺陷，那就是不能长时间用于启动扭矩要求很高的电动机驱动装置上。这种局限性主要因为，软启动器实际上是靠将自身电压斜坡式抬升至最大值(而在停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平)来完成工作。由于扭矩与电压平方成正比，连接电动机不能从一开始就达到最大扭矩，因此，软启动器更适合于水泵、风扇、传送带、电梯等轻型易启动的设备。

　　3ABB新型软启动器系列

　　ABB自从20世纪80年代初就开始研制生产软启动器，其间所获得的宝贵经验已经成功地应用到今天的新系列产品设计之中。最新的PS S系列在许多方面进行了改进(图2)，适用于电流3～515A，电源电压208～690V的电动机。

　　这种新产品系列具有以下几个重要的特点：

　　(1)集成化：在一定的安装平面上可以安装更多的软启动器。

　　(2)易于安装：该装置可以用螺丝钉固定到安装板(只需4个孔)上，或者，固定在安装轨上。这两种安装方式的电缆连接都很方便，且面板上有清晰的操作提示。

　　(3)设置方便：由于只有3种设置(启动电压斜坡、停机电压斜坡和初始电压)，软启动器的适用范围很广，面板上刻度标识非常清晰的旋转开关有助于你很方便地设定这些值。

　　(4)固态电路：这有利于确保最高的可靠性，并将维护工作降至最低限度，即使对于启动和停机非常频繁的设备依然如此。

　　3.1　“内三角”连接

　　PS S系列中绝大部分启动器都可以与电动机的三角形电路连接，其结果就象一个星-三角启动器(图3)，称之为“内三角”连接。这种连接可使软启动器的电流负荷降低，从而使电流控制范围扩大至515A，可以满足任何较小的应用设备，并能够为用户节约更多的空间和金钱。

　　3.2　设计安全耐用

　　该装置外包装坚固，并且对所有有生命的东西均有良好的绝缘，因此，不怕野蛮装卸，不会对人产生危险。其电路也基本上是无故障设计，即使遇到很难出现的内部故障，该装置也会自动关机以保护所连接的其它设备。

　　3.3S S 03……25 3～25A集成软启动器

　　该系列软启动器设计用于额定电流在3～25A，主电压分别为230V、400V、500V以及600V的小型电动机，可以并排安装在DIN轨道上。这些启动器在主电路上都配备有旁路接头，可在正常运行时替代可控硅以减少发热。

　　每个启动器都可以与控制电压范围在24～110V的AC/DC或者110～480V的AC电路连接，从而减化与现有控制系统的接入程序，减少该装置的换代更新次数。

　　3.4PS S 18/30……30/515适用于18～515A的通用启动器

　　这种系列的启动器适用于大型电动机，且安装和适应性更强。该系列启动器适用于额定电流为18～300A的电动机，由于它们可以象星-三角启动器一样接入三角电路(图3)，适用电流最高可达515A。这一特性使其能够比任何同类产品都更容易替代现有的星-三角启动器以实现更为平稳的启动(和停机)。

　　固态电路设计(主电路上无机电接头)使这种启动器特别适用于那些需要频繁启动和停机的电动机驱动装置。

　　所有该系列的启动器均可与一个单独的限制电路连接，从而可设定一个能与任何斜坡时间接近的最大启动电流。该功能简化了设置，尤其对于那些启动时间很长、惯量很高的设备更是如此。

　　这种启动器还配备了4个LED指示灯，分别表示“开机”、“满电压”、“外部故障”和“一般故障”以及1个内置式重大故障指示继电器。这些诊断功能简化了监测及故障识别。

　　该系列启动器的设计适用系数为110%～115%，换句话说它们可以处理连接电动机的过电流问题。

　　内置式旁路信号继电器可用于控制在连续运行或当利用同一启动器先后启动几台电动机时所需的旁路可控硅接头。

　　4　结束语

　　软启动器对于工业企业来说其好处可谓比比皆是。很少有某个生产场所不需要电动机作为驱动设备，不会得益于ABB的新型软启动器，这是许多ABB软启动器的受益人所得出的共同结论。软启动器的强大的适用功能和精巧的设计特点使其在许多现代企业的“必备设备”清单之列中亦占有一席之地。