交流異步電機軟起動與優化節能控制技術研究第一頁，共127頁。起動和優化節能運行問題作了全面的分析和研究，提出了異步電動機起動和運行的綜合控制方案。并研制成功了智能馬達優化控制器（異步電動機軟起動節能運第二頁，共127頁。行智能馬達優化控制器七T盯o乙讓中圖分類號咒文獻標識碼文章編號一前言目前在工礦企業中使用著大量的交流異步電動機（包括低壓電動機和中壓電動機相第三頁，共127頁。當多的異步電動機及其拖動系統還處于非經濟運行的狀態，白白地浪費掉大量的電能。究其原因，大致是由以下幾種情況造成的由于大部分電機采用直接起動方第四頁，共127頁。式，除了造成對電網及拖動系統的沖擊和事故之外，一倍的起動電流也造成巨大的能量損耗（2）在進行電動機容量選配時，往往片面追求大的安全余量，且層第五頁，共127頁。層加碼，結果使電動機容量過大，造成大馬拉小車的現象，導致電動機偏離最佳工況點，運行效率和功率因數降低從電動機拖動的生產機械自身的運行經濟性考第六頁，共127頁。慮，往往要求電力拖動系統具有變壓變速調節能力，若用定速定壓拖動，勢必造成大量的額外電能損失。電動機的非經濟運行情況，早已引起國家有關部門的重第七頁，共127頁。視，并分別于和制定和修定了一個強制性的國家標準一三相異步電動機經濟運行。希望依此來規范三相異步電動機的經濟運行，國標的發布對低壓電動機的經濟第八頁，共127頁。運行起了很大的促進作用，但對中壓電動機則收效甚微。其原因是中壓電動機一般容量較大，一旦發生故障，其影響也大，因此對節電措施的可靠性的要求就更第九頁，共127頁。高中壓電動機節電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制，節電產品的開發在技術上難度更大一些。到目前為上，國內尚無定型的中壓電動機軟起動和節電運第十頁，共127頁。行的產品面市。異步電動機的軟起動由于工業生產機械的不斷更新和發展，對電動機的起動性能提出了越來越高的要求，歸納起來有以下幾個方面要求電動機有第十一頁，共127頁。足夠大的，并且能平穩提升的起動轉矩和符合要求的機械特性曲線盡可能小的起動電流起動設備盡可能簡單經濟可靠，起動操作方便起動過程中的功率損耗應盡第十二頁，共127頁。可能的少。根據以上相互矛盾的要求和電網的實際情況，通常采用的起動方式有兩種一種是在額定電壓下的直接起動方式，另一種是降壓起動方式。直接起動的第十三頁，共127頁。危害直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過閘刀或噬魚遮抹棗卿年第翅啥翹易日接觸器將電動機直接接到電網上。直接起動的優點是起動設備簡單，起動速第十四頁，共127頁。度快，但是直接起動的危害很大網沖擊過大的起動電流（空載起動電流可達額定電流的一倍，帶載起動時可達一倍或更大會造成電網電壓下降，影響其他用電設第十五頁，共127頁。備的正常運行，還可能使欠壓保護動作，造成設備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命）機械沖擊過大的沖第十六頁，共127頁。擊轉矩往往造成電動機轉子籠條端環斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導致擊穿燒機，轉軸扭曲，聯軸節傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等3）對生產機械造成沖擊起動第十七頁，共127頁。過程中的壓力突變往往造成泵系統管道閥門的損傷，縮短使用壽命影響傳動精度，甚至影響正常的過程控制。所有這些都始設備的安全可靠運行帶來威脅，同時第十八頁，共127頁。也造成過大的起動能量損耗，尤其當頻繁起停時更是如此。因此對電動機直接起動有以下限制條件產機械是否允許拖動電動機直接起動，這是先決條件動機的容第十九頁，共127頁。量應不大于供電變壓器容量的一動過程中的電壓降應不大于額定電壓的對于中大功率的電動機一般都不允許直接起動，而要求采用一定的起動設備，方可完成正第二十頁，共127頁。常的起動工作老式降壓起動方式的適用場合及性能比較降壓起動的目的是減小起動電流，但它同時也使起動轉矩下降了。對于重載起動，帶有大的峰值負載的生第二十一頁，共127頁。產機械，就不能用這種方式起動。傳統的降壓起動有以下幾種方法星形三角形轉換器這種方法適用于正常運行時定子繞組采用接法的電動機。定子有六個接頭引第二十二頁，共127頁。出，接到轉換開關上，起動時采用星形接法，起動完畢后再切換成接法。起動電壓為2運行電壓為這種起動設備的優點是起動設備簡單，起動過程中消耗能量少第二十三頁，共127頁。。缺點是有二次電流沖擊，設備故障率高，需要經常維護，所以不宜使用在頻繁起動的設備上。在轉換過程中，由于瞬變電勢和電動機剩磁產生的電勢往往與電第二十四頁，共127頁。源電壓有相位差，嚴重時會產生電壓相加，引起過大的沖擊電流和電磁轉矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動電壓為運行電壓的廳，故其起動轉矩為額定第二十五頁，共127頁。轉矩的只能用在空載或輕載負載率小于起動的設備。在電動機輕載或空載運行時，也可利用該起動設備作降壓運行，以提高電動機的功率因數和效率。自藕變壓第二十六頁，共127頁。器降壓起動三相自禍變壓器（也稱補償器）高壓邊接電網，低壓邊接電動機，一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉矩的負載。在電動機第二十七頁，共127頁。起動后再將其切除。其優點是起動電壓可以選擇，如或以適應不同負載的要求。缺點是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。磁控第二十八頁，共127頁。軟起動器磁控軟起動器是利用控磁限幅調壓的原理，在電動機起動過程中電壓可由一個較低的值平滑地上升到全壓，使電動機軸上的轉矩勻速增加，起動特性變第二十九頁，共127頁。軟，并可實現軟停車。但其起控電壓在左右，用戶不可調整，會有較大的電流沖擊，且體積較大。串聯電杭器或水電阻對于高壓電機，可在定子線路中串聯電抗第三十頁，共127頁。器或水電阻實現降壓起動，待起動完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。串接頻敏變阻器或水電隊對于繞線式異步電動機，可在轉子繞組串接第三十一頁，共127頁。頻敏變阻器或水電阻實現起動，待起動完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。其他還有延邊三角形起動，定子串電阻起動等方法。值得第三十二頁，共127頁。指出的是盡管各種老式降壓起動方法各有其優缺點，但它們有一個共同的優點就是沒有諧波污染。新型的電子式軟起動器隨著電力電子技術和微機控制技術的發第三十三頁，共127頁。展，國內外相繼開發出一系列電子式起動控制設備，用于異步電動機的起動控制，以取代傳統的降壓起動設備。新型的電子式軟起動器的主電路一般都采用晶閘第三十四頁，共127頁。管調壓電路，調壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯組成，串接于電動機的三相供電線路上。當起動器的微機控制系統接到起動指令后，便進行有關的計算，輸出第三十五頁，共127頁。晶閘管的觸發信號，通過控制晶閘管的導通角使起動器按所設計的模式調節輸出電壓，以控制電動機的起動過程。當起動過程完成后，一般起動器將旁路接觸器第三十六頁，共127頁。吸合，短路掉所有的晶閘管主電路，使電動機直接投人電網運行，以避免不必要的電能損耗，軟起動器的控制框圖如圖所示。所謂軟起動實際上就是按照預先設第三十七頁，共127頁。定的控制模式進行的降壓起動過程。目前的軟起動器一般有以下幾種起動方式限流軟起動限流起動顧名思義就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某第三十八頁，共127頁。一設定值交流異步電機軟起動及優化節能控制技術研究旁路接觸器（正常運行）二二人立r掃入幾電壓檢測驅動電路電流檢測計算機模糊控制系統鍵盤顯示器電第三十九頁，共127頁。幾斜坡起動之人參華井二》一少尸一一一一二蝴城硫門了才如r以介再滬圖軟起動器的控制框圖）的軟起動方式。主要用在輕載起動的負載的降壓起動，其輸出第四十頁，共127頁。電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值幾然后在保持輸出電流的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電動機轉速逐漸升高，直到第四十一頁，共127頁。額定轉速。這種起動方式的優點是起動電流小，且可按需要調整，起動電流的限值必須根據電動機的起動轉矩來設定，設置過小，將會使起動失敗或燒毀電機。第四十二頁，共127頁。）對電網電壓影響小。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉矩，起動時間相對較長。電壓抖坡起動輸出電壓由小到大斜坡第四十三頁，共127頁。線性上升，將傳統的降壓起動變有級為無級，主要用在重載起動。它的缺點是起動轉矩小，且轉矩特性呈拋物線型上升對起動不利，且起動時間長，對電機不利第四十四頁，共127頁。。改進的方法是采用雙斜坡起動輸出電壓先迅速升至為電動機起動所需的最小轉矩所對應的電壓值，然后按設定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓第四十五頁，共127頁。及電壓上升率可根據負載特性調整。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，但起動時間相對較短，適用于重載起動的電機。（3）轉矩控制起動主要用在重第四十六頁，共127頁。載起動，它是按電動機的起動轉矩線性上升的規律控制輸出電壓，它的優點是起動平滑柔性好，對拖動系統有利，同時減少對電網的沖擊，是最優的重載起動方第四十七頁，共127頁。式。它的缺點是起動時間較長。（4）轉矩加突跳控制起動轉矩加突跳控制起動與轉矩控制起動一樣也是用在重載起動的場合。所不同的是在起動的瞬間用突跳第四十八頁，共127頁。轉矩，克服拖動系統的靜轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時應特別注意。（5）電壓控制起第四十九頁，共127頁。動電壓控制起動是用在輕載起動的場合，在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉矩，盡可能地縮短起動時間，是最優的輕載軟幾飛圖各種軟起動波第五十頁，共127頁。形圖（a）限流起動電壓料坡起動）轉矩控制起動（d）轉矩加突跳控制起動電壓控制起動起動方式。各種軟起動方式的相應起動曲線見圖停車方式有三種第五十一頁，共127頁。一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。軟起動器帶來的最大好處是軟停車和制動停車，軟停車消除了拖動系統的反慣性沖擊，對于水泵就是水錘效應制動第五十二頁，共127頁。停車則在一定場合代替了反接制動停車功能。軟起動器與傳統降壓起動器的比較軟起動器與傳統降壓起動器的性能比較見表軟起動器的適用場合產設備精密，不第五十三頁，共127頁。允許起動沖擊，否則會造成生產設備和產品不良后果的場合動機功率較大，若直接起動，要求主變壓器容量加大的場合）對電網電壓波動要求嚴格，對壓降要求第五十四頁，共127頁。毛的供電系統）對起動轉矩要求不高，可進行空載或輕載起動的設備。嚴格地講，起動轉矩應當小于額定轉矩的拖動系統，才適合使用軟起動器解決起動沖擊問第五十五頁，共127頁。題。對于需重載或滿載起動的設備，若采用軟起動器起動，不但達不到減小起動電流的目的，反而會要求增加軟起動器晶閘管的容量，增加成本若操作不當，還第五十六頁，共127頁。有可能燒毀晶閘管。此時只能采用變頻軟起動。因為軟起動器調壓不調頻，轉差功率始終存在，難免產生過大的起動電流而變頻器采用調頻調壓方式，可實現無第五十七頁，共127頁。過流軟起動，且可提供一倍額定轉矩的起動轉矩，特別適用于重載起動的設備。但是變頻器的價格要比軟起動器的價格高得多了。異步電動機經濟運行和優化節第五十八頁，共127頁。電控制技術異步電動機降壓節電技術概述對于滿載或重載運行的電動機，降低其端電壓將會造成嚴重后果，隨著端電壓的降低，電動機的磁通和電動勢隨之減小第五十九頁，共127頁。，鐵耗無疑將下降。但與此同時，隨電壓平方變化的電動機轉矩也迅速下降而小于負載轉矩，電動機只能依靠增大轉差率，提高電磁轉矩以達到與負載轉矩相平第六十頁，共127頁。衡的狀態。轉差率的增大，引起轉子電流增大，同時引起定子和轉子電壓間的相角增大，導致定子電流增大，從而使定子和轉子銅耗增加值大超過鐵耗的下降值第六十一頁，共127頁。，這時電動機繞組溫升將會增高，效率將會下降，甚至發生電動機燒毀事故。因而，一般規程都規定了電動機正常運行時電壓變化范圍不得超過額定電壓的95第六十二頁，共127頁。一然而對于輕載運行的電動機，情況就截然不同，使供電電壓適當降低，在經濟上是有利的。這是因為在輕載運行時，電動機的實際轉差率大大小于額定值，轉第六十三頁，共127頁。子電流并不大，在降壓運行時，轉子電流增加的數值有限。而另一方面，卻由于電壓的降低，使空載電表軟起動器與傳統降壓起動器的比較產品主要性能數字式第六十四頁，共127頁。軟起動器磁控降壓起動器自鍋降壓起動器起動特性軟特性用戶可以調整特性較硬不能調整硬特性不能調整起動電流特性曲線一一設定的起動電，……流二巡蘭一第六十五頁，共127頁。貧電流，不可調。N二人：艾少一書仁二下叢頭，起始電壓一任意可調左右用戶不能調左右用戶不能調整獻衛幾起動沖擊電流無次，約為電機額定電流次，約為第六十六頁，共127頁。電機額定電流的倍入的倍起動電流一用戶可視負一八以上，不能調整一以上，不能調整載輕重調整電機轉矩特性沒有沖擊轉矩，力矩勻速次沖擊轉矩后，力矩勻第六十七頁，共127頁。勺知跳沃上升，有次沖平滑上升速平滑上升擊轉知負載適應能力強一般較差能否頻繁起動可以一般不能一般不能起動方式限流軟起動或電壓斜坡區域恒流軟起動第六十八頁，共127頁。分段式恒壓起動起動任選執行元件電力電子器件磁飽和電抗器（磁放大自藕變壓器控制元件和控制方位高性能單片計算機繼電器及普通電子元件繼電器式模糊控第六十九頁，共127頁。制繼電電子控制繼電控制整機重量體積輕小較重較大重大外接電纜數量根（進出）根或根（w以上根進出）為進出）交流異步電機軟起動及優化節能控制技術研第七十頁，共127頁。究流和鐵損大幅減少。在這種情況下，電動機的總損耗就可降低，定子溫升，運行效率和功率因數同時得到改善。由此可見，電動機的運行經濟性與電動機負載第七十一頁，共127頁。率同運行電壓是否合理匹配關系極大。理論分析表明電動機的力能指標運行效率與功率因數與其端電壓之間存在如下的數量關系滬津遠只攀絲翼衛氣3一乙二爺第七十二頁，共127頁。擺奧粵一口一甲式中和為電動機額定工況和降壓運行的轉差率甲滬為電動機額定工況和降壓運行的功率因數刀和刀為電動機額定工況和降壓運行的效率為電動機第七十三頁，共127頁。的調壓系數，認（和為電動機額定電壓和降壓運行時的實際電壓為電動機的空載電流系數，而人和為電動機的額定電流和空載電流）。從式難看出并不是所有的第七十四頁，共127頁。降壓行為都能達到節電的目的，只有當電壓降低程度大于轉差率及功率因數上升程度時，才能使運行效率提高。實際上，電動機效率隨電壓降低而變化的關系呈第七十五頁，共127頁。馬鞍形曲線，對應于每一個輸出功率（或負載系數），必然存在一個最佳調壓系數當二凡時，電動機的損耗最低，效率最高。稱為電動機的最佳電壓調節系數。第七十六頁，共127頁。不同負載下最佳電壓調節系數可按電動機的負載系數刀由下式確定川藝式中藝尸為電動機額定負載時的有功損耗（尸。為電動機的空載損耗為計算系數，二一乏第七十七頁，共127頁。尸凡為電動機的機械損耗（月為電動機的負載系數，口（八尸為電動機的輸出功率，尸為電動機的額定功率文獻給出了輕載電動機采用降壓節電措施后，節約電第七十八頁，共127頁。能的計算公式為節約的有功功率尸為（芝一尸一藝一節約的無功功率么Q為一口。）尸一擊口。卜式中口為電動機帶額定負載時的無功功率為電動機的空載無功第七十九頁，共127頁。功率節約的電能為么通二丑尸式中殉為無功經濟當量，當電動機直連電機母線瓜一二次變壓取從二三次變壓取從一為電動機年運行時間（優化節電的控制依據率第八十頁，共127頁。因數（襯控制法最早出現的異步電機優化節電器為滬功率因數控制器，其原理是通過檢測電動機運行中的滬值，與預先設定的基準值比較，當實際值低于設定值第八十一頁，共127頁。時，說明電動機為輕載，通過降低電動機的端電壓來提高華，直到實際的。05明測量值達到設定值為止，實現了節電滬數值高表明是重載，則升高電機端電第八十二頁，共127頁。壓，以保證軸上的輸出功率。這是一種間接節電法控制對象是電動機的功率因數，而目的是節電。由于交流異步電機的最佳功率因數在全工作范圍內呈曲線變化第八十三頁，共127頁。不同制造廠生產的同一規格的異步電機的功率因數呈一定的離散性同一臺電機在其壽命期不同階段，在同一工況下的功率因數也呈現一定的離散性，這就給設計第八十四頁，共127頁。和調整帶來一定的困難。故這種方法不能達到最佳節電效果，并且理論與實踐都已證明，過高的功率因數值對于異步電機來說，并不節電。最小輸入功率法交流第八十五頁，共127頁。異步電機工作時，從電網輸人的電功率一部分轉換成電機軸上的機械功率八輸出，另一部分則是自身的損耗尸，，包括鐵耗與銅耗兩部分。其中鐵耗與輸人電壓第八十六頁，共127頁。的平方成正比，而銅耗則與其電流的平方成正比，只有在銅耗等于鐵耗時，電機的效率最高，損耗最小。最小輸人功率法的原理就是在電機工作的任一負載點上第八十七頁，共127頁。，在保證軸上機械功率輸出的前提下，通過降低電機的端電壓而減小電機自身的損耗，從而達到節能的目的。雖然降壓可以降低鐵耗，而當電壓降到一定程度之第八十八頁，共127頁。后，若繼續下降，則電流又要增加，因而又增加了銅耗。通過微機自動尋優，讓鐵耗和銅耗都維持在最低的水平，也即電壓與電流的乘積輸人的電功率達到最小第八十九頁，共127頁。值，實現最優節電目的。（3）突加負載控制當電動機軸上的負載急劇上升時，又要能在極短的時間內將電壓提升到額定值，保證軸上里魚絲叢主應擔月第_.第九十頁，共127頁。感豁韶翻有足夠的功率輸出，否則電機就會發生堵轉現象。所以微處理器在進行輸入功率優化控制的同時，又監視負載功率的變化率，一旦負載功率的變化率超第九十一頁，共127頁。過預先設定的閡值時，即判定為突加負載，立即提升電機端電壓，保證電機對負載變化的快速響應能力。優化節電的適用對象對于電機轉速無嚴格要求，及不需第九十二頁，共127頁。要調速運行的場合，特別是對于經常大幅度變動的負載，或者長時間處于輕載或空載的電動機，例如軋鋼機鍛壓機抽油機等負載，使用優化節電技術，可以收到第九十三頁，共127頁。明顯的節電效果。其節電量視電動機的負載系數及輕載運行的時間長短而定。降壓起動優化節電計算實例為一臺輕載運行的一型電動機配置一套優化控制系統，第九十四頁，共127頁。著重計算其起動性能參數和節電效果。一型電動機的原始數據額定功率尸、二額定電壓二額定電流人二額定轉速最大轉矩倍數二最大轉矩額定轉矩起動電流倍數第九十五頁，共127頁。堵轉電流額定電流二起動轉矩倍數堵轉轉矩額定轉矩二額定效率刀額定功率因數滬、二電動機額定負載時的有功損耗藝、二電動機的空載損耗尸。電動機的空載第九十六頁，共127頁。電流二電動機帶額定負載時的無功功率、二電動機的空載無功功率口。二（l）輕載運行降壓節電效果計算不同負載系數下，電動機的最佳調壓系數凡的計算按第九十七頁，共127頁。式行，計算結果示于表當隊時，不同負載系數下，電動機的綜合功率損耗芝八的計算按式（7）進行川，計算結果示于表芝二尸藝一八，尸（口、一按最佳電壓第九十八頁，共127頁。調節系數進行調壓后節省的電量計算按式式計算結果示于表（2）降壓起動時電動機起動特性估算由電動機的原始數據得知，電動機直接起動時，起動參數如下第九十九頁，共127頁。起動電流二起動轉矩二采用降壓起動時，調壓系數凡的確定八二二戈，丁j嶺式中以為電動機電壓，為電動機額定電壓，二為生產機械要求的最小起動轉矩，當第一百頁，共127頁。采用輕載起動方式時，代人有關數據，得刊留聶采用降壓起動時，起動參數計算起動電流起動電壓以，起動轉矩二？降壓起動的節電效果計算直接起動時從電網第一百零一頁，共127頁。吸收的無功功率為寸百品雙一6一尸。代人相關數據，得召一6一降壓起動時從電網吸收的無功功率為川口二辦此一6一代人相關數據，得辦一6一節約的無功第一百零二頁，共127頁。功率為口一口。電網傳輸所消耗的有功功率尸為口。降壓起動的無功節電率為共子二子是于一扮一一一表按最佳調壓系數進行降壓后節省的電t計算值電動機負第一百零三頁，共127頁。載系數刀最佳電壓調節系數凡節省的有功功率節省的無功功率么節省的綜合有功功率么尸二認時電機綜合功率損耗乏尸節電率交流異步電機軟起動及優化節能控第一百零四頁，共127頁。制技術研究異步電動機的調壓調速異步電動機的調壓調速屬低效調速方式，因為在調速過程中始終存在轉差損耗，因此調壓調速有很大的限制，不是任何一臺普第一百零五頁，共127頁。通的籠型電機加上一套晶閘管調壓裝置，就可以實現調壓調速的。首先必須改變電動機的外特性，新的外特性必須使電動機有一個寬廣的穩定的調速范圍。一般第一百零六頁，共127頁。要采用高轉差率電機，交流力矩電機或在繞線式電機的轉子繞組中串接電阻的方法，并且要加上轉速閉環控制，才能進行穩定的調速。其次是要將調速過程中由第一百零七頁，共127頁。于轉差功率引起的轉子的溫升很好地導出機外，才能實現長期穩定工作。這里可采取旋轉熱管結構，也可采取特殊風道冷卻結構，都是行之有效的方法。在電力第一百零八頁，共127頁。電子技術高速發展的今天，變頻調速裝置的價格已不再昂貴的情況下，再考慮調壓調速，似乎已無多大的現實意義了。具有泵控制功能，可避免或減小液流喘振第一百零九頁，共127頁。和水錘效應具有相平衡和電源電壓自動補償功能具有完善的保護報警功能起動方式起動電壓起動電流額定電流及負載類型等參數均可設定具有遠方控制及聯網通第一百一十頁，共127頁。訊功能自診斷功能。經過在不同工業現場的長期使用，取得了可觀的經濟效益。結論智能馬達優化控制器系列在對交流異步電動機軟起動和優化節電技術長期深第一百一十一頁，共127頁。人研究的基礎上，研制成功了智能馬達優化控制器系列），適配電機功率從一該控制器采用了16位馬達控制專用單片微處理器具有完善的檢測控制功能主功率第一百一十二頁，共127頁。器件則采用具有世界高技術水平的專利產品集成移相調控晶閘管模塊，該模塊突破以往晶閘管模塊的概念，將復雜的移相控制電路與晶閘管管芯創造性地集成為第一百一十三頁，共127頁。