异步电动机软启动及节能智能控制技术综述 　　刘建业 河北科技大学电气信息学院 　　1、引言 　　 异步电动机是工农业生产中最为广泛的电力拖动设备，其使用过程存在三个问题。首先是启动问题：特别是几十、几百千瓦以上的中大容量电动机，额定电流就有几百安培，启动电流达近千安培，甚至几千安培，电动机启动时冲击电流流过供电变压器、供电线路，会造成供电母线很大的电压降落。严重时启动的电动机本身不仅转不起来，在同一条供电母线的其他设备也受影响，电灯变暗、数控设备失常、带重载电动机甚至会停车、变电所的欠电压保护会跳闸造成停电事故。其次是节能问题：异步电动机在运行期间有很大的节能空间，特别在轻载时功率因数低、效率低，电机发热严重。第三是电动机运行安全问题：断相、短路、严重过载等故障会给运行中的电动机带来极大的危害。 　　智能化软启动器是集电机软启动、软停车、轻载节能和综合保护于一体的新颖电机控制设备。近些年来，随着电力电子技术、计算机控制技术的飞跃发展，国内外都十分重视各种智能化软启动器的研究和开发，且发展很快，目前市场有多种型号的软启动器可供用户选择，不同的产品所具功能不尽相同，控制方法不尽相同。结合自己几年来从事智能化启动器产品的研究工作和对市场同类产品的认识，本文旨在从软启动控制方式、节能方法对智能化软启动器作一技术综述。 　　2、软启动控制方式 　　电动机软启动控制旨在限制启动电流，减小冲击电流对电网的影响。对照过去的启动方法：定子串电阻启动、定子串饱和电抗器启动、Y-Δ变换启动和现在的软启动方法：液阻软启动、磁控软启动、晶闸管软启动，限流的实质没有太大的改变。只是从有级控制过渡到无级控制、从硬件调节到软件调节、从机械自动化过渡到智能自动化。 　　2.1、液阻软启动 　　液阻软启动，相当于过去的定子串电阻启动。液阻是一种由电解液形成的电阻，它的阻值正比于相对的二块极板间的距离，反比于电解液的电导率。在启动过程通过控制极板距离或调节电导率都可实现电动机的软启动控制。由于液阻热容量大、阻值可无级调节，通过选择计算机预置的某种软启动算法控制一套伺服机构来调整极板距离，无级调节串入定子绕组的等效电阻，达到限流软启动的目的。所以液阻软启动较传统的定子串电阻启动，具有启动方式多样化（预置多种软启动算法）、控制智能化、调节无级化等优点。特别适用于高压大容量电动机的软启动。但液阻软启动同样存在一些缺点：软启动重复性差（受温升和热容量限制）、启动能耗大、体积大、维护性差。 　　2.2、磁控软启动 　　磁控软启动，相当于过去的定子串饱和电抗器启动。磁控磁饱和电抗器有三相交流绕组和一个直流励磁绕组。三相交流绕组串接在电动机三相定子绕组上，限流作用的强弱变化通过控制支流励磁电流改变铁心的磁饱和度实现的，所以叫磁控软启动。与传统的定子串电抗器启动相比，磁控软启动对限流作用的调节是静止的、无接触的、非机械式的，应用电力电子技术和计算机技术实现磁控软启动，容易做到启动方式多样化、控制方法智能化。磁控软启动存在的缺点有：启动能耗大、运行噪声大、设备体积大。磁控软启动器适用于大容量高压电机软启动场合。 　　2.3、晶闸管软启动 　　从降压限流的角度看，晶闸管软启动相当于过去的Y-Δ变换启动方式。启动过程启动器没有功率损耗（忽略晶闸管开关损耗）。通过计算机控制串接于电源与电动机定子绕组间的晶闸管导通角，使电动机按预设的函数关系U= ，在预定的时间内完成软启动。由于U= 关系简单，很容易实现斜波电压启动和脉冲电流加斜波电压启动。系统如果有电流负反馈及电压负反馈，还可以按电流控制启动、电压控制启动、转矩控制启动、转矩加突跳控制启动编程。在上述启动方式中，最适用最先进的启动方式应是转矩控制启动、电压控制启动、和转矩加突跳控制启动。目前的软启动器多为限电流和斜波电压启动。如“ABB”软启动器；“雷诺尔”软启动器为电压控制、转矩控制及转矩加突跳控制启动；“AB”、“施耐德”、“西门子”等公司生产的软启动器为限流启动和转矩加突变控制启动。 　　2.4、三类软启动器性能比较 　　本文从软启动时间、启动谐波影响、启动重复性、可控方式多样性、启动装置在启动过程中的噪声、是否节能、体积、适用范围等几个方面对三类软启动器作一比较，性能综合比较见表1所示： 　　 表1 三类软启动器性能比较 　　类别 启动时间 谐波 启动可重复性 噪声 体积 可控方式多样性 节能效果 使用范围 　　晶闸管软启动器 可调、快 存在 好 无 小 好 好 小、中型电动机和大型电动机（价格不占优势） 　　磁控软启动器 可调、较快 存在 较好 有 大 较好 差 中、大型电动机 　　液阻软启动器 慢 没有 差 无 大 差 差 中、大型电动机 　　由此可见，晶闸管软启动器综合性能最优，代表着软启动器发展的方向。特别是在电动机节能运行控制方面起着举足轻重的角色。 　　3、节能方式 　　电动机在运行期间，有很大的节能空间存在，特别是轻载和一些变载负荷拖动中（如钢板冷轧机、抽油磕头机），如果实施节能控制，节电率可达5%—38%。 　　目前国内电机节能器的研究非常活跃，但在产业化方面远远落后于国外公司。因此，为加快国内节能器的发展，在国家十五计划中，惦记系统节能方面的投入高达500亿元左右。 　　电动机节能措施很多，比如①选用高效电机，我国生产的YX系列电机平均效率较Y系列电机高3.0%，比JO2系列电机平均效率高3.4%。且优选高压高速鼠笼型电机。②减少所选电机的浮装容量，杜绝“大马拉小车”现象，使电机负载率始终保持在80%以上。③采用串级调速节能、变极节能、变频调速节能、变压节能等等。 　　目前，在上述诸多节能措施中，晶闸管软启动器应用日益广泛，在轻载和变载拖动系统中节能效果十分明显，归纳节能控制方法有如下几种： 　　3.1、恒功率因数控制 　　电动机在满压轻载运行时，由于负载率很低，电机铜损、铁损比例增加，功率因数下降，电机有效用电率下降（电机效率下降）。在轻载时如果降低输入电压，减少电机主磁通，电机的铁心损耗及磁化电流将减少，从而电机的效率、功率因数将得到提高。为此组成功率因数闭环控制系统可以有效地进行节能控制。 　　(1)通过比较器，求еi= - 0，△еi =еi-еi-1。其中 0为给定功率因数角， 为负荷功率因数角，еi为被控功率因数角实时偏差，△еi为被控功率因数角实时变化率。 　　（2）设调节静差为bp 　　（3）调节步距h=0.02秒，步距移相角为αγ 　　（4）在еi<- bp条件下，按α(k)=α(k-1)-αγ调节，并对α(k)限幅，取αxmin=αmin。 　　（5）在еI>+bp条件下，按α(k)=α(k-1)+αγ调节，并对αx限幅，取αxmax=αmax， 　　αx=f（еi）调节曲线如图3所示。 　　 　　 　　这种控制算法的优点：①调节平缓，无阶跃冲量；②αx最小限幅在给定负荷功率因数角Φ，即永远使αx≥αmin，避免了感性负荷条件下的“半波整流现象”发生。③αx最大限幅在αmax，既起到了轻载时的节能控制，又避免了“停车现象”的发生。④没有调节参数的现场整定问题。 　　3.2、间歇控制机制 　　有些场合。如油田活塞式抽油机，当油泵“再装率”很低时，为减少抽油机无效行程，提高电机工作效率，软启动器可采用间歇控制机制。即当检测到抽油机特轻载时，发停车令，间歇一定时间后再重新软启动。 　　3.3、非线性调压控制 　　对于钢板冷轧机，负载转矩在满载和空载间转换，如果电动机始终满压工作肯定费电，如果降压工作，在突加负荷时极有可能造成无故障停车，或过载能力低造成铜损耗增加过载保护动作。所以，针对这类负荷应采用非线性调压控制。 　　定义 　　定义非线性数据表kp=tabel( ) 　　根据负载变化率 ，按下式控制移相调压角 　　 ；当 0 　　 ；当 　　 ；当 　　3.4、回馈制动控制 　　 磕头机（油田抽油机）有两个工作状态：一个是电动机驱动机械设备运动，磕头机从电网吸收电能（电表正转），另一个是释放能量（机械势能，井下负压），由机械设备带动电动机运动，是一个发电的过程（电表反转）。就是说，磕头机在相当一段时间内，要把势能变为电能回馈电网。异步机在电动工作状态，定子电流 滞后电源电压U1功率因数 900，从电网吸收有功功率 和吸收无功功率 ，异步电机工作在回馈发电状态时，定子电流 滞后电源电压U1功率因数 >900，向电网回馈有功功率 ，同时从电网吸收无功功率 。所以当电机工作在回馈制动状态时，定子绕组必须接在电网上，由电网担负这部分滞后性的无功电流或无功功率。如果异步电机定子绕组不接在电网上，由于得不到必需的无功功率，当然也就发不出有功功率。即当检测到功率因数角 >900时，对异步电机进行全压控制，使电机从电网充分吸收无功功率，同时向电网充分回馈有功功率。利用负荷特点通过回馈制动控制策略达到节能目的。 　　 顺便，就应用节能变频器、节能软启动器在磕头机中“不节能”的网上争论在此谈一下作者的观点：①节能变频器和节能软启动器，节能是毋庸置疑的；②普通节能变频器、普通软启动器非通用型，对轻载负荷均有明显的节能效果；③节能变频器、节能软启动器在磕头机应用中不节能，甚至比不用节能器还费电，这种现象确实存在。但这是用户在节能器的选型上有问题，是电机工作在发电状态，节能器没能提供电机向电网吸收无功功率和回馈有功功率通道所致。