1、引言 自從有了交流異步電動機，人們就不斷研究它的起動方式。經(jīng)過七、八十年的更新?lián)Q代，到今天已經(jīng)發(fā)明了幾十種起動方法。每一次技術的更新都代表了人類對新科學技術的探索和進步，就如同生物細胞新陳代謝一樣，不斷更新自己，保障自己肌體的健康與活力。 交流異步電動機分鼠籠型和繞線型，在電壓等級上又分高壓電動機和低壓電動機。現(xiàn)在市場上也流行著很多種起動方式,如何選擇一種經(jīng)濟合理的起動方式就成了低壓交流電機控制中的一個棘手問題。筆者就現(xiàn)在市場上流行和應用的諸種低壓鼠籠型交流異步電動機起動方式進行分類研究，同時說明它們的應用價值和和各自的優(yōu)缺點。 2、低壓電動機起動方式的選擇 2.1 gb50055-93中的規(guī)定 在《通用用電設備配電設備設計規(guī)范》gb50055-93中規(guī)定: （1） 電動機起動時，其端子電壓應能保證機械要求的起動轉(zhuǎn)矩，且在配電系統(tǒng)中引起的電壓波動不應妨礙其他用電設備的工作; （2） 交流電動機起動時，配電母線上的電壓應符合下列規(guī)定: 在一般情況下，電動機頻繁起動時，不宜低于額定電壓的90%;電動機不頻繁起動時，不宜低于額定電壓的85%; 配電母線上未接照明或其他對電壓波動較敏感的負荷，且電動機不頻繁起動時，不應低壓額定電壓的80%; 配電母線上未接其他用電設備時，可按保證電動機起動轉(zhuǎn)矩的條件決定;對于低壓電動機，尚可保證接觸器線圈的電壓不低于釋放電壓。 （3） 籠型電動機和同步電動機起動方式的選擇，應符合下列規(guī)定: 當符合下列條件時，電動機應全壓起動: 電動機起動時，配電母線的電壓符合2款規(guī)定; 機械能承受電動機全電壓起動時的沖擊轉(zhuǎn)矩; 制造廠對電動機的起動方式無特殊規(guī)定。 當不符合全壓起動的條件時，電動機宜降壓起動，或選用其他適當?shù)钠饎臃绞健? 當有調(diào)速要求時，電動機的起動方式應與調(diào)速方式相配合。 2.2 jgj/t 16-92中的規(guī)定 在中華人民共和國行業(yè)標準《民用建筑電氣設計規(guī)范》jgj/t 16-92中規(guī)定:由城市公用低壓網(wǎng)絡直接受電的場合，電動機允許全壓起動的容量應與地區(qū)供電部門的規(guī)定相協(xié)調(diào)。如當?shù)毓╇姴块T對允許鼠籠型電動機全電壓起動容量無明確規(guī)定時，可按下述條件確定:由公用低壓網(wǎng)絡供電時，容量在11kw及以下者，可全壓起動;由居住小區(qū)變電所低壓配電裝置供電時，容量在15kw及以下者可全壓起動。 以上是國家標準和行業(yè)標準對電動機起動的要求。設計人員最容易考慮到的是電氣參數(shù)，而容易忽略的是“機械能承受電動機全電壓起動時的沖擊轉(zhuǎn)矩”。這條規(guī)定的含義:一是電動機全壓起動時的沖擊轉(zhuǎn)矩不能造成機械設備的可靠性滿足不了要求;二是要考慮由于全壓起動時的沖擊轉(zhuǎn)矩使得機械設備壽命的降低或故障率的增加而帶來的損失高于增加降壓起動設備帶來的投資。 如在皮帶運輸機中的應用中，造成皮帶損壞的原因是皮帶的運行磨損和起動瞬間皮帶與物料的磨損，再就是起動瞬間對皮帶的拉松。由于皮帶價格比軟起動器還要高，所以一般15kw以上的皮帶機應采用軟起動相對于全壓起動對皮帶造成的損壞更為經(jīng)濟，同樣算法，45kw以上的水泵或風機采用軟起動更經(jīng)濟。再加上有色金屬價格的上漲，軟起動器的成本已經(jīng)低于自耦變壓器的成本。尤其現(xiàn)在軟起動器技術發(fā)展到今天，由于良好的起動效果與經(jīng)濟性幾乎全部占領了降壓起動的場合。 2005年tjnr1000型在線運行微功耗軟起動器的產(chǎn)生更是給電動機的起動方式帶來了一次革命，它不需要加旁路接觸器，使得系統(tǒng)成本大大降低，而且可靠性高于接觸器，尤其大功率型號的價格已經(jīng)和進口的接觸器相差無幾，而能耗比接觸器節(jié)省60%以上，使得運行更經(jīng)濟，對于改善電動機的起動起到了更好的促進作用。 3、降壓起動器 低壓鼠籠型交流異步電動機額定參數(shù)在3kw及以下的系列中繞組額定電壓是220v，3kw以上的系列中繞組額定電壓是380v，一般來講在低壓電機起動方式的選擇時，都是優(yōu)先選擇全壓起動，而在實際應用中如果條件不滿足前述電機全壓起動的電氣或機械要求時，就需要采用降壓起動也就是軟起動方式。降壓起動經(jīng)常應用的有如下幾種起動器類別。 3.1 自耦變壓起動器 自耦變壓起動器是利用自耦變壓器的降壓原理來實現(xiàn)對電動機繞組電壓的降壓，如圖1所示。在過去的幾十年里人們多數(shù)采用了此種起動方法，標準的起動電動機用的自耦變壓器設有兩個抽頭，一個是80%的額定電壓，一個是65%的額定電壓，人們常用的是65%額定電壓的抽頭。它的起動轉(zhuǎn)矩是常壓狀態(tài)下的0.4225倍，起動轉(zhuǎn)矩比“y-△”起動器大，所以此種降壓起動方式應用較多。缺點是電壓有級跳躍，起動電流有跳躍，電動機的轉(zhuǎn)矩有跳躍。 3.2 “y/△”起動器 “y/△”起動器是利用“相-線電壓變化”的原理來實現(xiàn)對電動機繞組電壓的降壓，如圖2所示。在過去的幾十年里，也有相當數(shù)量采用了此種起動方法，它是用三只接觸器來實現(xiàn)對電動機的繞組電壓由線電壓變?yōu)橄嚯妷骸Ｋ钠饎愚D(zhuǎn)矩是常壓狀態(tài)下的1/3倍，起動轉(zhuǎn)矩比自耦變壓起動器小，所以此種降壓起動方式應用較少于自耦變壓起動器。缺點是電壓有級跳躍，起動電流有跳躍，電動機的轉(zhuǎn)矩有跳躍。它和自耦變壓起動器相比造價正好節(jié)省一臺自耦變壓器的價格，因為“y/△”起動器到電動機需要六根動力接線，所以在系統(tǒng)造價方面不一定節(jié)省。它主要用在對起動轉(zhuǎn)矩要求不高且起動器到電動機的供電距離較近的場合。 3.3 磁控型軟起動器 為了解決降壓起動時電壓有級跳躍和轉(zhuǎn)矩有級跳躍的問題，在上個世紀90年代人們發(fā)明了磁控式軟起動器，它是采用磁阻抗的原理來達到降壓升壓無級變化的目的，它是自耦變壓起動器的改進如圖3所示。磁控型軟起動器是在一定的范圍內(nèi)能夠達到電壓連續(xù)可控。磁控型的軟起動器分線式繞組和箔式繞組，箔式繞組從理上講由于箔式繞組的容抗對無功電流的補償，所以起動時，在同等起動電流的前提下轉(zhuǎn)矩大于線式繞組。由于線式繞組磁控軟起動器在上個世紀末被旁路型軟起動器所淘汰，箔式繞組磁控軟起動器是本世紀初的專利技術，由于磁控型的概念被人們認為是一種落后的產(chǎn)品，所以市場上已不多見，實際上它已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，起動轉(zhuǎn)矩高于所有的軟起動器，對于僅考慮電網(wǎng)沖擊或降壓起動有困難的場合是比較理想的產(chǎn)品。它的優(yōu)點是諧波小，在一定的范圍內(nèi)能達到無級變壓。 3.4 電子軟起動器 電子軟起動器是上個世紀70年代由美國ab公司最新推出來，后來世界各大電氣公司很快推出，但他們都是晶閘管在線運行，如圖4所示，其優(yōu)點是對電動機的起動控制與保護達到智能化，電路簡單。在使用方面存在體積過大，重量過重（例如200kw的軟起動器已重達56kg），造價昂貴，功耗太大（相當于電動機容量的1.5%左右），造成發(fā)熱太大，熱量難以排除的問題，而且諧波大，所以在使用上受到很大限制。 為了克服在線運行軟起動器的缺點，到上世紀末國內(nèi)廠家開始研制生產(chǎn)旁路型電子軟起動器，如圖5所示，在1998年國家頒布軟起動器標準:“半導體電動機控制器標準”gb14048.6-1998。2000年筆者在全國范圍內(nèi)進行軟起動起應用講座，推廣使用旁路型軟起動器，到2001年各設計院開始設計選用旁路型軟起動器，到了2002年90%的工程設計中均選用旁路型軟起動器，很少選用自耦變壓或“y/△”起動器。但是，旁路型軟起動器也是存在缺點，如: （1） 電路復雜化，系統(tǒng)可靠性降低; （2） 強大的智能控制器不能充分利用，有的不能對電動機保護; （3） 增加了成套裝置的體積和成本; （4） 增加了維護與檢修的難度。 為了克服旁路型軟起動器的缺點，在2003年各電氣公司紛紛開發(fā)內(nèi)置旁路型軟起動器。現(xiàn)在天津諾爾哈頓、美國ab、西門子等三家已經(jīng)推出了其全系列的內(nèi)置旁路型軟起動器，如圖6所示，并且現(xiàn)在也有很多廠家正在部分系列推出內(nèi)置旁路型軟起動器。它的優(yōu)點是既回避了晶閘管在線運行的缺點，又回避了旁路型的缺點。它體積小、重量輕、造價低、控制功能強大，是目前階段最先進的軟起動器，也最有實際應用價值。 3.5 其它軟起動方式 在市場上還有一種對于低壓鼠籠型交流電動機的軟起動方式，即液體電阻。它有兩種方式，它是僅靠液體電阻的熱變特性來改變電動機的端電壓，這種液體是用水加上適量的小蘇打（碳酸氫鈉，俗稱起子面）形成混合導電液體（此混合液體的電阻率和液體的溫度成反比，溫度越低電阻率越大，溫度越高電阻率越小），在起動開始液體處于冷態(tài)，其電阻率大，電動機端電壓低，隨著液阻的耗電升溫，電阻率下降，電動機的端電壓上升，當電動機起動到一定的轉(zhuǎn)速時，用接觸器將液體電阻旁路掉，達到全壓供電，使電動機達到全壓運行。此原理在構成裝置上有兩種方案，一是起動電阻的分壓僅靠液體電的變化來改變電動機的起動電壓（見圖7）;二是在液體電阻的上端加一個動極板，在下端加一個靜極板，起動時除了溫度的上升造成電阻下降的同時，還減小液體電阻的導電距離，使其電阻降低的速度加快，如圖8所示。 液體電阻起動器的名稱比較多，但其基本原理都是一樣的，它屬串電阻起動，適用于繞線型交流電動機起動。而對于鼠籠型電動機串在定子繞組側，是不合適的，在起動過程中，電阻會造成大量的電能浪費，另外大量的熱量也難以處理。而且該產(chǎn)品不符合國家政策未列入國家標準，所以無法得到“ccc”認證，不宜推廣使用。 4、結束語 對于低壓鼠籠型交流電動機的起動方式的選擇，在應用中可以首先考慮是否需要降壓起動，而后再選取合適的起動器。軟起動技術由自耦變壓和“y/△”起動器時代，發(fā)展到今天的電子軟起動時代，得到了革命性的發(fā)展，其良好的實用性與經(jīng)濟性也使得其具有了更大的實際應用價值。而其中內(nèi)置旁路型電子軟起動器較之其他同類產(chǎn)品有著體積小、重量輕、造價低、控制功能強大等多種優(yōu)點，是目前階段最先進的軟起動器，也最有實際應用價值，起到了完全替代其它類型軟起動器的作用。