立帜低压电网

　　供电系统

　　三相交流异步电动机在工业生产中广泛应用，但是，三相交流异步电动机启动过程的加速转矩和冲击电流，对工作机械、供电系统都有不同程度的影响。为了减少电动机启动时对机械和供电系统的影响，就要对电动机启动时的加速转矩进行一定的限制，由于电动机转矩值与加在定子绕组端电压的平方成正比（M~U2）,而电动机定子电流值与定子端电压成正比（I~U）,所以为了避免高启动转矩和启动电流峰值，可以通过降低电动机启动时加在其定子绕组上端电压。改变其定子绕组端电压的方法有传统的降压启动技术和现在推广软启动器降压启动技术。下面，笔者将传统的降压启动技术与软启动器启动技术进行对比，使读者了解电动机降压启动应用的发展趋势。

　　1 电动机的启动原理

　　如果我们向电动机在空间相位差120°

　　电角度的三相定子绕组中通入三相交流电后，在空气间隙中将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电动势，并形成转子电流。载流转子导体在定子旋转磁场的作用下将产生电磁力，从而在电机轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电动机的旋转方向与旋转磁场的转向相同。旋转磁场的转速为：n=60f/p.其中n为同步转速（转/分）；f为电网频率，（HZ）;p为电机定子极对数。

　　异步电动机的转子旋转方向与旋转磁场的旋转方向相同，但旋转速度不可能与旋转磁场相同，因为即使在空载运行的情况下，转子的感应电流以及相应的转子电流和转矩值将替变为零，即异步电动机转子转速不可能和定子磁场保持同步，它只能始终保持某个异步状态工作。

　　为了保证电动机能够完全加速到额定速度，在整个加速阶段，电动机的转矩值MM必须大于负载的力矩值ML,否则电动机的速度就会因上不去而停下来。电动机转矩MM与负载力矩ML之差，称为加速转矩MB.它必须在整个加速阶段始终大于零。在电动机机械特性曲线上速度由零加速到额定转速的过程中，机械特性图呈马鞍形，图中一段上的转矩最小值即为MS值。必须特别注意的是，对于任何一台电动机来说，其机械特性的具体形状是不同的，主要取决于转子的结构参数（见图1）。

　　2 三相交流异步电动机的传统启动方法及其特点

　　2．1直接接入电网启动

　　每台鼠笼式异步电动机都按照它的结构参数具有它自己的转矩/速度机械特性和电流/速度特性。在启动时不管它们的负载情况如何，均应按照以下曲线运行。即在直接接入电网启动的情况下，当加上额定电压时，产生一个大于额定电流几倍的启动电流，与此同时，在负载上作用的是启动转矩。对于绝大多数电动机而言，启动转矩值大于额定转矩。为了保护供电系统不受启动电流峰值的冲击，或者为了保护被加工物件不受此启动转矩带来的过大的机械应力的影响，通常采取降压启动。

　　2．2Y/Δ降压启动

　　采用Y/Δ启动时，其启动转矩和启动电流值在考虑了饱和效应的情况下，比直接电网启动方式可以降低约25%~30%。如果电动机克服了负载力矩ML启动以后，这时还要看负载力矩的特性曲线，只有在电动机转矩MM大于负载力矩ML的情况下，驱动系统才能加速到对应于定子为Y接法时的转速值nY点,到达nY后，必须将定子转换到Δ接法，这时转速由nY上升到额定转速nN。如果电动机的机械特性和负载力矩曲线选择不当（如重载启动），Y接法所达到的转速nY太低，那么转换到Δ接法时，还将产生很大的电流冲击，从而降低了Y/Δ降压启动的效果。

　　2．3自耦变压器和定子接电阻降压启动

　　这两种启动方式标准的接法分别是在电动机三相定子绕组上串入三相自耦变压器和电动机的三相定子绕组上串接电阻，自耦变压器和定子电阻在电动机即将达到额定转速之前某个转速时短接。这两种降压启动的转矩/速度、电流/速度特性曲线与Y/Δ降压启动的特性曲线相似，但这两种启动方式可以通过选择自耦变压器的不同抽头和定子电阻的级数来满足供电系统所允许启动电流和所需的起动转矩。伴随自耦变压器抽头数量的增多，变压器的体积也会变大，投资会较多；定子电阻启动的级数越多，控制线路就越复杂，开关也越多。另外，启动阶段定子电阻也会产生大量的热。

　　2．4延边三角形启动

　　延边三角形启动和Y/Δ降压启动从原理上讲是类似的，即在启动时电动机将电动机的一部分定子绕组接成Y形，另一部分接成Δ形，从图形上看就好像将一个三角形的三条边延长，因此称为延边三角形。当电动机启动结束后再将三相定子绕组接成Δ接法，如图6、图7所示。

　　2．5传统启动方式的缺点

　　（1）传统的启动方式在由一种接法向另一种接法转换的过程中，不能控制加速转矩和起动电流，转换过程是个突变，不能线性处理。也就是说，它们都不能很好地调整电动机的启动特性以满足软启动的要求，启动转矩和启动电流可以降下来，但是电动机启动时不能具有按一定规律变化或恒定的加速转矩值，启动电流也不能限制在某一规定值。

　　（2）电动机二次控制线路复杂，故障点多，维修复杂。

　　（3）电动机在Y/Δ启动或者是定子电阻降压启动时，当由Y接法转换到Δ接法，或者由第一阶段电阻切换到第二阶段电阻时，不可能完全避免启动电流和转矩的冲击。

　　（4）由启动特性曲线发现，传统降压启动的电动机定子端电压不是线性加压，定子端电压降低，启动转矩与定子端电压的平方成正比，启动转矩降低，所以传统的降压启动一般不适合重载电动机启动。

　　3 举例说明软启动器的电动机启动方法和特点

　　随着电子技术的发展，电子技术在电动机控制和启动中也得到了广泛应用，逐渐体现为其控制的强大功能，这就造就了软启动器的逐渐成熟和迅速发展。下面，笔者将分别介绍一款西门子Sikostart3RW22和上海西普Xpr1-cn/sh软启动器的电动机启动方法和特点。

　　（1）Sikostart系列软启动器，采用微处理机控制定子绕组三相电压可控硅相位控制技术，在电动机定子绕组三相L1、L2、L3进线上接入反并联连接的二个可控硅。通过控制此电压的值，达到限制加速转矩和启动电流的作用，电压的控制是利用可控硅的相位控制来实现的。只是定子端电压值的改变和一般的变频器调速不同，定子端电压的频率值始终保持和电源的频率相同。当电动机启动完成后，可控硅工作在全通状态。如果要断开电动机，可中断所有可控硅的触发脉冲信号。电动机电流在下一个电流过零点时中断，因此不会产生断电火花和电压尖峰。

　　Sikostart中有电压斜率发生器，它可以产生多种斜率的斜坡线性电压，通过微处理机按预先整定的时间周期内逐渐增加电动机定子绕组端电压，该时间周期也称作斜率时间（TR）。TR的起始电压Us在额定电压的20%~100%的范围内可调，此功能使得电动机定子端得到一个线性电压，使得电动机启动过程比较平滑，不会出现电流冲击。到预先整定的启动斜率时间（TR）结束时，端电压增加到电流电压值Un（100%）。如果Sikostart检测到电动机的速度在预先整定的启动斜率时间（TR）结束以前已经达到额定转速时，这时电动机的端电压一下子增加到电网电压值（100%）。因此，Sikostart能够对电动机的启动性能进行最佳调节，使其满足各种负载的启动要求。带斜坡电压的软启动时定子绕组端子电压与电动电流特性曲线见图8。

　　带斜坡电压启动时的转矩与电流特性曲线见图9。图中虚线表示在不同的定子绕组端电压下，当电压保持不变时的电机转矩与电流曲线；实线则表示在启动过程中，端电压随时间而逐渐增加时的电动机转矩与电流曲线。

　　Sikostart还能提供多种复杂的启动电压控制，比如带限压的软启动、带限流的软启动、带电压斜坡和限流的软启动、带突跳脉冲和限流/限压等多种软启动，可以满足各种负载的启动要求。而且有强大控制功能，实现了软启动、软停车、泵特性停车、直流能耗制动停车以及在欠负载的情况下节能运行等功能。

　　（2）Xpr1-cn/sh软启动器：采用了自适应软启动控制技术。所谓自适应是指根据实际情况运用专家系统的自动调整并直接应对，就是先根据用户设定的参数实施启动，在启动过程中不断检测电动机状态及其参数，实时调整控制参数以确保启动性能达到最优，其中最关键的就是要保证电动机加速的平稳，在任何状态下都要保证电动机速度曲线的平滑连续并且是单调上升的，不会出现速度拐点。软启动器智能化控制技术之所以能够保证电动机速度曲线平稳上升，则是运用了电流、电压、速度等多参量反馈控制系统，把被控电动机的相对速度作为主要反馈参量，不仅电动机的速度变化是可测的，电动机是否达到额定转速也是可知的，指示电动机启动是否成功、何时完成。

　　以软启动器常用的电压斜坡启动方式为例，用传统的控制方法来推理，可简单地认为，电机的转速近似地正比于电机上得到的电压。所以，如果能保持施加于电动机定子绕组的端电压线性地增加就能使电动机线性加速，普通非智能化的软启动器就是这样控制电动机的，即以用户设定的启动时间参数来计算晶闸管触发角的变化率，时间到时即告启动完毕。然而情况并非如此简单，因为上述推理是在负载稳定的理想状态下得出的，但在控制电动机尤其是带载电机的情况下，实际效果并不理想。

上述推理忽略了两个重要现象：一是施加于晶闸管的触发角并不恒等于晶闸管的导通角；二是按计算施加于电动机的电压并不恒等于电动机实际得到的电压。其实，软启动器的电压斜坡起动方式实质上是想要得到电动机速度斜坡的目的，只要达到了电动机速度斜坡的目的，我们并不关心软启动器输出的电压是否是斜坡（线性的）。以（间接）速度为主要反馈参量的电动机软启动控制方法，避开了复杂的参量采集与数学计算，实现了接近理想的电机软启动控制效果。

　　（3）软启动器的优点

　　1）功能强大，可通信、编程、故障信息存储、电流（电压、功率）监测，中文显示人机界面等。

　　2）使用软启动器后电动机的二次回路接线简化，减少故障点。

　　3）电动机保护智能化，多种电动机启动模式，适合各类负载启动。

　　4）使电动机线性启动，没有冲击转矩和冲击电流。

　　4 结束语

　　通过论述电动机传统降压启动和软启动器启动特点，目的在于减少电动机启动时冲击转矩对机械的冲击和冲击电流对供电系统的影响，使用软启动器是最佳选择。随着软启动器的发展和成熟，它必将成为电动机降压启动应用的发展方向。

（责编：杰 ）