大功率电动机启动的问题

Ｎｏ．４Ａｕｇ．

第４期（总第１６７期）

２０１１年８月

机械工程与自动化

MECHANICALENGINEERING＆AUTOMATION文章编号：１６７２-６４１３（２０１１）０４－０１５８－０２

大功率电机启动问题初探

刘宏伟

（襄樊学院机汽学院，湖北

襄樊

４４１０５３）

摘要：通过对大功率电机的启动问题进行分析，列举了几种电机的启动方式，并对各种启动方式进行了初步探索。

关键词：电动机；启动方式；启动电流；启动电压中图分类号：ＴＭ３

文献标识码：Ｂ

0引言交流电动机的启动电流大，但过大的启动电流冲击将对电网、负载及电机本身产生较大的影响。整个交流电网的容量对单台电机来说是非常大的，但是供电变压器的容量却是有限的，如果变压器额定容量相对不够大时，电动机短时较大的启动电流会使变压器输出电压水平大幅度下降，并产生较大的线路压降，严重影响到同台变压器供电的其他负载，如引起其他正在运行的异步电动机停转、照明灯变暗或熄灭、保护误动、精密仪器仪表（如计量）失准等。过大的压降还可能导致电机端电压过低，启动转矩不够，电机启动失败；过大的启动电流使电机内部过热，电机温升过高，加速电机绕组绝缘过热老化，所以电动机启动时应采取必要的措施以降低启动电流。按照电机拖动理论，电动机的启动有以下几种方降压限流启动、变频变压（ＶＶＶＦ）启式：全压直接启动、动、软启动等。1全压直接启动全压启动也称为直接启动，它是一种比较经济的启动方式，但也存在一些不足，如启动电流大（约为５Ie～７Ie，Ie为额定电流）、启动转矩冲击大等，而且能否全压直启还受到很多因素和条件的。2降压限流启动（１）使用电抗器启动：使用电抗器时启动电流大，一般在４Ie以上，平均启动电磁转矩较小。电抗器一般根据用户提供的电机及负载参数制作，一次成形，参数不可调节，工况适应性差，电机功率一般在２０００ｋＷ以下。收稿日期：2011-01-05；修回日期：2011-04-20

（２）采用自耦变压器启动：采用自耦变压器时启动机械特性也比较硬，启动电流较小，平均启动电磁转矩小，不允许连续启动及频繁启动。虽然有几种抽头可供选择但难以保证电机启动性能最佳，甚至有可能满足不了启动要求。3高压变频启动采用高压电力电子器件，应用ＳＰＷＭ（逆变器）技术，实现ＶＶＶＦ控制电动机的启动、制动。一方面，可最大限度地电机的启动电流，改善电网电压的稳定性；另一方面，启动功率因素较高，减小启动损耗，可实现恒转矩及变转矩启动。应该说，在各种启动方式中，变频器的启动性能是最优秀的，几乎涵盖各种类型负载的启动，满足各类负载的启动性能要求。客观地讲，对于变频器，工程应用中看中的是它的调速节能，它的良好的调速特性所能带来的可观的经济价值以及生产从这工艺的客观需求，才是变频器真正为人们所求的。个意义上讲，高压变频器用于短时的电机启动，其一次投资与收益是严重不平衡的，因此工程实际应用并不是很广泛。变频器的确具有很多优越的性能。但是，也有一些不足之处：（１）电压等级与容量有限。目前对它应用的最高电压等级与容量众说不一，但比较成熟、可靠的还是在１０ｋＶ／５０００ｋＷ以下，而且当前只能依赖进口，维护维修成本高。（２）谐波污染问题。高压变频器利用大功率电力电子器件构成三相桥式电路，常采用６脉冲触发方式。在作者简介：刘宏伟(1978-),男，湖北宜城人，助教，硕士，主要研究方向：机电控制与自动化技术。

２０１１年第４期

刘宏伟：大功率电机启动问题初探

１５９··

这种方式下，撇开１１次以上高次谐波不算，仅５次、７次电流谐波含量严重超标，畸变率高达３４％以上，由此又带来了消谐治谐投资及维护维修成本与技术等方面的问题。当然，采用６倍脉冲触发（如１８脉冲、２４脉冲）可使谐波电流大大降低，但电路结构更为复杂，一般较少采用。（３）对电机本身的影响。变频器产生的高次谐波将影响电机的使用寿命，如５次谐波使电动机电磁处于制动状态，７次谐波增加了电机的附加转矩，使电机如将５次、７次谐启动时间增加。在电机启动过程中，波转矩与基波转矩叠加，其转子在低速下运行而得不到加速。4软启动在电动机定子回路中串入正反并联的可控硅器件，通过改变可控硅的移相角实现对电动机的降压启动。可控硅的移相角的控制由微控制器和专用集成电路组合完成。另外还可以在定子侧串入液变电阻，本质上属于降压启动，它以损失部分启动力矩为代价。对于非恒转矩负载（如风机、泵类）或轻载启动的大功率高压笼型电动机及同步机而言，在电网短路容量及变压器容量不是足够大或瞬时机械冲击过大时，这种方法是可能采取的最佳启动方式之一。5其他启动方式（１）采用液力耦合器：利用能耗转差调节原理，启动时负载与电机主轴脱离，电机只带泵轮启动，相当于空载启动，电机全速运行后，通过调节液力耦合器工作腔内的油量实现柔性连接、逐步升速的目的。这是一种机械式的启动方式，其缺陷是安装与维修难度大（对轴对心的问题）、维修时须停掉主电机、容易发生渗油漏油问题等。（２）采用电动机—电动机组：即采用同极小容量异步机作为辅机，容量约为主机的５％～１５％，用辅机将其缺主机拖到一定转速后，主机投入电网后切除辅机。点是主机只能空载启动，而不能带负载启动。这种方法一般用于特大容量电动机的启动。在实际工程应用中，设计人员与设备维护人员实际考虑的是机械冲击的问题。笼型电动机直接启动时产生较大的机械冲击，会使整个传动系统受到过大的扭矩力冲击（比如电机轴、负载机轴、转子笼条、联轴变机座及轴承座等），容易损坏设备或缩短设备速机构、的使用寿命，如转子笼条断裂、变速箱齿轮打坏、转轴变形等等。因此在很多工况中，如空压机组、风机水泵类负载，并不需要太大的启动转矩，所以要设法减小启动电磁转矩。6小结从上面的分析可看出，不同的负载对电动机启动的要求是不一样的。有时要求有足够大的启动转矩，有时要求启动电流尽可能小，有时根据电网情况要求二者兼顾。在电动机启动的实际工程设计与应用中，总是试图尽量满足以下几个要求：①初始启动电磁转矩小（≥１．１TL，TL为负载转矩），启动过程平均电磁转矩足够大；②尽可能地电机启动电流；③尽可能地降低电机启动电压；④启动设备安全可靠，操作方便，设备简单而经济；⑤启动过程功耗小，无谐波污染。电动机启动过程中，在电机定子回路串接电阻或电抗或采用自耦变压，都是降低了电动机定子绕组上的电压，使启动电流也减小，从而达到对主电机降压限流的目的。电机定子侧降压启动，是以损失部分启动力矩为代价。对于非恒转矩负载（如风机、泵类）或轻载启动的大功率高压笼型电动机及同步机而言，在电网短路容量及变压器容量不是足够大或瞬时机械冲击过大时，这种方法是可能采取的最佳启动方式之一。综上所述，一般对于１０００ｋＷ以内的电机，在变压器容量允许情况下可采用全压启动；但超过１０００ｋＷ电机应尽量避免采用直接启动方式，可以选用变频启动或者降压启动方式。使用变频启动，能延长机械的使用寿命，节约用电量，但前期的设备购买费用较高，维护费用也较高；降压限流启动时要考虑校验电动机的端子电压以及启动电流，使其满足所拖动机械的最小转矩要求。参考文献：

［１］李浚源，秦忆，周永鹏．电力拖动基础［Ｍ］．武汉：华中科

技大学出版社，１９９９．

［２］中国航空工业规划设计研究院．工业与民用配电设计手

册［Ｍ］．第３版．北京：中国电力出版社，２００５．

［３］梁佰兴．浅谈电机启动方式的选择［Ｊ］．广东建材，２０１０（５）：１７５－１７６．

DiscussiononStartofHigh-powerMotor

LIUHong-wei(SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，XiangfanUniversity，Xiangfan441053，China)

Abstract：Throughanalyzingthestartingprocessofhigh-powermotor,thisarticlelistsseveralstartingmodes，andcarriedonthepreliminarydiscussiononvariousstartingmodes.Keywords：motor；startingmode；startingcurrent；startingvoltage