【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】了解常見的電機(jī)啟動(dòng)方法及其之間的差異，有助于企業(yè)為任何給定過程選擇最佳方案。
 

　　感應(yīng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。在轉(zhuǎn)換過程中，電源連接到電機(jī)定子，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)并啟動(dòng)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流。
 

　　該啟動(dòng)電流也被稱為浪涌電流，通常比電機(jī)的額定電流高5到8倍。高浪涌電流很容易損壞或燒毀電機(jī)的繞組，并導(dǎo)致電源電壓大幅下降，從而損壞連接到同一電源的其它負(fù)載。因此，通過提供電機(jī)啟動(dòng)器或驅(qū)動(dòng)器來保護(hù)電機(jī)免受浪涌電流的影響是非常重要的。
 

　　無論是排氣扇、鼓風(fēng)機(jī)還是壓縮機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)器都是任何電機(jī)的重要組成部分。電機(jī)的啟動(dòng)和運(yùn)行有多種選擇，包括帶接觸器的跨線啟動(dòng)器、帶自耦變壓器的降壓軟啟動(dòng)器(RVAT)或帶固態(tài)控制和變頻器(VFD)的降壓軟啟動(dòng)器(RVSS)。每種方法在成本、規(guī)格和功能方面都各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
 

　　01  全壓電機(jī)啟動(dòng)器
 

　　電機(jī)啟動(dòng)最基本的方法之一是跨線啟動(dòng)，也稱為全電壓或直接啟動(dòng)。全壓電機(jī)啟動(dòng)器通常包括三個(gè)部件：接觸器、電機(jī)電路保護(hù)器和過載繼電器。圖1詳細(xì)說明了全壓電機(jī)啟動(dòng)器的通用接線圖。
 

▲圖1：通用全壓電機(jī)啟動(dòng)器的接線圖。
 

　　接觸器是常開觸點(diǎn)，當(dāng)接觸器線圈通電時(shí)閉合電路。接觸器線圈通常連接到120伏控制邏輯中的控制繼電器，使電機(jī)可以根據(jù)應(yīng)用情況而打開/關(guān)閉。例如，如果抽水井中的水位很高，則需要打開潛水電機(jī)將水泵送到另一位置?；蛘呷绻坏停瑒t需要關(guān)閉電機(jī)以防止干運(yùn)行，否則會(huì)損壞電機(jī)。
 

　　過載繼電器保護(hù)電機(jī)不受過載或失速而導(dǎo)致過熱的影響。過載繼電器(無論是熱繼電器還是電繼電器)將監(jiān)測(cè)流經(jīng)電路的熱量或電流。如果熱量或電流在一定時(shí)間內(nèi)高于極限，過載繼電器將跳閘，這將觸發(fā)輔助觸點(diǎn)，從而切斷接觸器線圈的電源并使電機(jī)斷電。
 

　　圖1所示的電機(jī)電路保護(hù)器是一種過流保護(hù)裝置(OCPD)，可為電機(jī)電路提供保護(hù)。該OCPD可以是斷路器或保險(xiǎn)絲。當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)器直接連接到電源，這意味著在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)瞬間施加全電壓、電流和扭矩。因此，電機(jī)會(huì)迅速加速到全速，同時(shí)也會(huì)有一個(gè)持續(xù)時(shí)間很短的高浪涌電流。電流會(huì)隨著電機(jī)的加速而減小，當(dāng)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流將達(dá)到電機(jī)的額定電流。
 

　　由于其操作簡(jiǎn)單，全壓?jiǎn)?dòng)器切換不會(huì)像變頻器那樣會(huì)引起諧波。使用全壓?jiǎn)?dòng)器時(shí)，電機(jī)將持續(xù)穩(wěn)定地以 0%或100%的速度運(yùn)行，這對(duì)于需要進(jìn)行速度控制的應(yīng)用(如氣味控制鼓風(fēng)機(jī)等)來說并不理想。
 

　　當(dāng)關(guān)停電機(jī)時(shí)，它的電源會(huì)被立即切斷。然后電機(jī)轉(zhuǎn)速自行向下降低，這可能導(dǎo)致急?；蚩焖偻Ｖ?。對(duì)于較大的電機(jī)，這可能會(huì)由于過熱而損壞電機(jī)繞組。
 

　　由于電機(jī)發(fā)熱、電壓下降、大電流需求以及對(duì)其它連接電氣設(shè)備的影響，不建議大型電機(jī)采用全壓?jiǎn)?dòng)。這種啟動(dòng)方法產(chǎn)生的浪涌電流最大，對(duì)于大型電機(jī)來說，可能需要超大發(fā)電機(jī)或超大的電力系統(tǒng)電源。然而，與其它電機(jī)啟動(dòng)方法相比，全電壓電機(jī)啟動(dòng)器對(duì)于小型電機(jī)來說可能是最便宜、最緊湊的選擇。
 

　　02  軟啟動(dòng)器
 

　　在啟動(dòng)過程中，暫時(shí)減少提供給交流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流的裝置，被稱為軟啟動(dòng)器。這些裝置旨在減少電機(jī)、配電設(shè)備和任何供電發(fā)電機(jī)系統(tǒng)上的機(jī)械應(yīng)力。軟啟動(dòng)器可以是機(jī)械的，也可以是電氣設(shè)備的。用于軟啟動(dòng)的常見的兩種電氣設(shè)備是RVSS和RVAT軟啟動(dòng)器。
 

　　RVSS的設(shè)計(jì)旨在控制啟動(dòng)電壓，通過降低電機(jī)扭矩為電機(jī)提供平穩(wěn)、受控的啟動(dòng)。對(duì)于停止，電機(jī)也可以逐漸減速，而不必硬停。圖2顯示了75馬力潛水井泵控制面板中RVSS的圖片。
 

▲圖2：水井潛水泵控制面板中的降壓軟啟動(dòng)器。
 

　　電壓控制方法來自可控硅整流器，也稱為晶閘管，與控制器一起操作，以設(shè)置啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流，并緩慢地使電機(jī)加速。一旦電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，許多現(xiàn)代RVSS將使用內(nèi)部旁路接觸器為電機(jī)供電。這樣做是為了減少啟動(dòng)器磨損，延長(zhǎng)其使用壽命。相對(duì)于全電壓?jiǎn)?dòng)器，RVSS的一個(gè)缺點(diǎn)是在啟動(dòng)過程中發(fā)熱增加、所需間隔量增加以及設(shè)備的初始成本增加。
 

　　RVAT則是使用自耦變壓器的次級(jí)，利用預(yù)設(shè)的輸出抽頭為電機(jī)提供降低的電壓。這些抽頭通常為50%、65%和80%。在啟動(dòng)過程中，降低的電壓用于使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直至達(dá)到設(shè)定的時(shí)間或線路電流，然后電機(jī)繞過RVAT以100%電壓運(yùn)行。在停機(jī)過程中，沒有軟停止，電機(jī)立即斷開，就像全電壓?jiǎn)?dòng)器一樣。
 

　　與RVSS相比，它的缺點(diǎn)是設(shè)備占地面積增加、設(shè)備重量增加、變壓器產(chǎn)生的熱量增加以及由于輸出抽頭數(shù)量有限而對(duì)啟動(dòng)速度的控制有限。鑒于所有這些缺點(diǎn)以及RVAT軟啟動(dòng)器的成本大致相同的事實(shí)，RVSS通常是首選解決方案也就不足為奇了。與RVSS相比，RVAT的唯一優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單而穩(wěn)固，需要的零件數(shù)量有限。
 

　　03  變頻器
 

　　變頻器不僅可用于緩慢啟動(dòng)和停止電機(jī)，還可用于控制交流電機(jī)的速度。變頻器的工作方式是將輸入交流電轉(zhuǎn)換為直流電，使用電感電容濾波器平滑直流電，最后使用由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的逆變器，通過脈寬調(diào)制將直流電轉(zhuǎn)換為模擬正弦波。
 

　　功率轉(zhuǎn)換的確切方法將取決于變頻器是使用脈沖整流器(如6、12或18脈沖)，還是使用有源前端驅(qū)動(dòng)裝置。6脈沖接線圖見圖3，有源前端接線圖見圖4。
 

▲圖3：通用6脈沖變頻驅(qū)動(dòng)電路接線圖。
 

▲圖4：通用有源前端變頻驅(qū)動(dòng)電路接線圖。
 

　　每種類型都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，尤其是在處理與變頻器相關(guān)的缺點(diǎn)時(shí)。這些缺點(diǎn)包括諧波、反射波、發(fā)熱和初始成本增加。
 

　　諧波是變頻器線路側(cè)的一個(gè)問題，由整流器和逆變器導(dǎo)致，具有各種負(fù)面影響，如導(dǎo)致電容器組故障、燒壞電機(jī)繞組、斷路器跳閘和變壓器過熱。一些變頻器會(huì)產(chǎn)生更多諧波，例如，6脈沖變頻器產(chǎn)生的諧波要多于18脈沖變頻器，而18脈沖變頻器比有源前端變頻器產(chǎn)生更多諧波。
 

　　一般來說，6脈沖變頻器的價(jià)格是更便宜的，18脈沖和有源前端變頻器的成本大致相同。請(qǐng)注意，即使選擇了6脈沖變頻器也有減少諧波的方法，如在線電抗器或外部諧波校正單元。
 

　　由于IGBT的快速切換會(huì)引起變頻器負(fù)載側(cè)的反射波，反射波會(huì)產(chǎn)生過電壓，損壞電纜絕緣、電機(jī)繞組和電機(jī)絕緣。出于這個(gè)原因，考慮逆變器負(fù)載電機(jī)非常重要，它是為了處理更大的電壓差。另一種解決方案是安裝負(fù)載電抗器、dv/dt濾波器或正弦波濾波器，或者將變頻器安裝在靠近電機(jī)的位置，因?yàn)殡S著距離的增加反射波會(huì)加大。
 

　　產(chǎn)生的熱量來自變頻器(將交流電轉(zhuǎn)換為直流電)的許多部件，以及IGBT切換以產(chǎn)生模擬正弦波。雖然可以降低開關(guān)頻率以減少熱量產(chǎn)生，但這并不總是可行的，因?yàn)樗鼤?huì)增加變頻器的諧波和電機(jī)的噪音。
 

　　防止過熱的最佳方法，是使用散熱器和風(fēng)扇通過變頻器外殼中的通風(fēng)口散熱。理想情況下，變頻器安裝在環(huán)境控制的電氣建筑或房間內(nèi)，但許多供應(yīng)商確實(shí)提供帶空調(diào)裝置、安裝在室外的變頻器。安裝在電機(jī)控制中心的變頻器如圖5所示。
 

▲圖5：安裝在水再生設(shè)施電機(jī)控制中心的6脈沖變頻器。
 

　　此外，成本增加也是一個(gè)主要缺點(diǎn)，變頻器的成本往往高于RVAT或RVSS方案。然而，在帶來增加的初始成本和其它缺點(diǎn)的同時(shí)，變頻器確實(shí)也會(huì)帶來很多的好處和性能提升，例如改善功率因數(shù)、實(shí)現(xiàn)速度控制并降低能耗。
 

　　功率因數(shù)的改善，是由變頻器內(nèi)的直流母線電容器引起的。直流母線電容器為電機(jī)提供無功電流，這是感應(yīng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)所必需的。這意味著來自公用事業(yè)的輸入電源電流，只需要有功功率。這就可以幫助避免公用事業(yè)的功率因數(shù)損失，減少配電網(wǎng)絡(luò)上的電流，并降低電力公司的費(fèi)用。
 

　　速度控制是一種通過改變變頻器的輸出電壓和電流來控制電機(jī)速度的能力，以達(dá)到所需的扭矩和理想的速度。這可以使用基于所需應(yīng)用的開環(huán)控制方法或閉環(huán)控制方法來實(shí)現(xiàn)。在開環(huán)系統(tǒng)中，變頻器經(jīng)過調(diào)諧以確保精確的速度控制，而閉環(huán)系統(tǒng)則監(jiān)測(cè)電機(jī)的電壓和電流，以讀取電機(jī)速度并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。
 

　　降低能耗是降低電機(jī)速度并因此降低電機(jī)負(fù)載的結(jié)果。能夠節(jié)省如此多的能源，其原因就是速度和功耗之間的關(guān)系。例如，電機(jī)速度降低50%，功率需求降低到原始功率需求的12.5%；75%的電機(jī)速度，可以將功率需求降低到42%；90%的電機(jī)速度，則可以將功率需求降低到73%。
 

　　在選擇電機(jī)啟動(dòng)方法時(shí)，根據(jù)所需的電機(jī)應(yīng)用和電機(jī)規(guī)格有多種解決方案可以選擇。對(duì)于不需要速度控制的較小電機(jī)，全壓?jiǎn)?dòng)方法可能是最優(yōu)的選擇。軟起動(dòng)器更適用于大型電機(jī)降低浪涌電流的需求，但不提供速度控制。
 

　　變頻器是大型電機(jī)或需要速度控制或受益于速度控制的電機(jī)的絕佳選擇。然而，它們會(huì)將諧波引入電氣系統(tǒng)，這可能需要加以緩解。選擇適合的解決方案可以確保在任何設(shè)施中都有一個(gè)高效且具有成本效益的系統(tǒng)。