交流异步电机软起动及优化节能控制技术

1、交流异步电机软软起动及优化化节能控制技技术研究摘 要：本文文对交流异步步电动机的软软起动和优化化节能运行问问题作了全面面的分析和研研究，提出了了异步电动机机起动和运行行的综合控制制方案。并研研制成功了智智能马达优化化控制器（IIMOC）。关键词：异步电电动机 软软起动 节节能运行 智能马达优优化控制器。 1 前 言言 目前在在工矿企业中中使用着大量量的交流异步步电动机（包包括380VV/660VV低压电动机机和3KV/6KV中压压电动机），有有相当多的异异步电动机及及其拖动系统统还处于非经经济运行的状状态，白白地地浪费掉大量量的电能。究究其原因，大大致是由以下下几种情况造造成的：由于大部分电电

2、机采用直接接起动方式，除除了造成对电电网及拖动系系统的冲击和和事故之外，8810倍的的起动电流造造成巨大的能能量损耗。 在进行电动机机容量选配时时，往往片面面追求大的安安全余量，且且层层加码，结结果使电动机机容量过大，造造成“大马拉拉小车”的现现象，导致电电动机偏离最最佳工况点，运运行效率和功功率因数降低低。 从电动机拖动动的生产机械械自身的运行行经济性考虑虑，往往要求求电力拖动系系统具有变压压、变速调节节能力，若用用定速定压拖拖动，势必造造成大量的额额外电能损失失。 电动机机的非经济运运行情况，早早已引起国家家有关部门的的重视，并分分别于19990年和19995年制定定和修定了一一个强制性的

3、的国家标准：三相异步步电动机经济济运行（GGB124997-19995）。希望望依此来规范范三相异步电电动机的经济济运行，国标标的发布对低低压电动机的的经济运行起起了很大的促促进作用，但但对中压电动动机则收效甚甚微。其原因因是：（1）中压电动动机一般容量量较大，一旦旦发生故障，其其影响也大，因因此对节电措措施的可靠性性的要求就更更高；（2）中压电动动机节电措施施受电力电子子功率器件耐耐压水平的限限制，节电产产品的开发在在技术上难度度更大一些。 到目前为为上，国内尚尚无成型的中中压电动机软软起动和节电电运行的产品品面市。2 异步电动动机的软起动动 由于工业业生产机械的的不断更新和和发展，对电电动

4、机的起动动性能提出了了越来越高的的要求，归纳纳起来有以下下几个方面：要求电动机机有足够大的的，并且能平平稳提升的起起动转矩和符符合要求的机机械特性曲线线；尽可能小的的起动电流；起动设备尽尽可能简单、经经济、可靠，起起动操作方便便；起动过程中中的功率消耗耗应尽可能的的少。根据以以上相互矛盾盾的要求和电电网的实际情情况，通常采采用的起动方方式有两种：一种是在额额定电压下的的直接起动方方式，另一种种是降压起动动方式。 2.1 直接接起动的危害害 直接起起动是最简单单的起动方式式，起动时通通过闸刀或接接触器将电动动机直接接到到电网上。直直接起动的优优点是起动设设备简单，起起动速度快。但但是直接起动动的

5、危害很大大；电网冲击：过过大的起动电电流（空载起起动电流可达达额定电流的的47倍，带带载起动时可可达8100倍或更大），会会造成电网电电压下降，影影响其他用电电设备的正常常运行，还可可能使欠压保保护动作，造造成设备的有有害跳闸。同同时过大的起起动电流会使使电机绕组发发热，从而加加速绝缘老化化，影响电机机寿命。 机械冲击：过过大的冲击转转矩往往造成成电动机转子子笼条、端环环断裂和定子子端部绕组绝绝缘磨损，导导致击穿烧机机；转轴扭曲曲，联轴节、传传动齿轮损伤伤和皮带撕裂裂等。 对生产机械造造成冲击：起起动过程中的的压力突变往往往造成泵系系统管道、阀阀门的损伤，缩缩短使用寿命命；影响传动动精度，甚至

6、至影响正常的的过程控制。 所有这这些都给设备备的安全可靠靠运行带来威威胁，同时也也造成过大的的起动能量损损耗，尤其当当频繁起停时时更是如此。因因此对电动机机直接起动有有以下限制条条件：生产机械是否否允许拖动电电动机直接起起动，这是先先决条件；电动机的容量量应不大于供供电变压器容容量的1015%；起动过程中的的电压降U应不大于额额定电压的115%。对于于中、大功率率的电动机一一般都不允许许直接起动，而而要求采用一一定的起动设设备，方可完完成正常的起起动工作。2.2 老式式降压起动方方式的适用场场合及性能比比较： 降压起起动的目的是是减小起动电电流，但它同同时也使起动动转矩下降了了。对于重载载起动

7、，带有有大的峰值负负载的生产机机械，就不能能用这种方式式起动。传统统的降压起动动有以下几种种方法：（1）星形/三三角形转换器器：这种方法法适用于正常常运行时定子子绕组采用接法的电动动机。定子有有六个接头引引出，接到转转换开关上，起起动时采用星星形接法，起起动完毕后再再切换成接法。起动动电压为2220V，运行行电压为3880V。这种种起动设备的的优点是起动动设备简单，起起动过程中消消耗能量少。缺缺点是有二次次电流冲击，设设备故障率高高，需要经常常维护，所以以不宜使用在在频繁起动的的设备上。在在转换过程中中，由于瞬变变电势和电动动机剩磁产生生的电势往往往与电源电压压有相位差，严严重时会产生生电压相

8、加，引引起过大的冲冲击电流和电电磁转矩，因因此大大地限限制了它的使使用。由于起起动电压为运运行电压的 ，故其起动动转矩为额定定转矩的1/3，只能用用在空载或轻轻载（负载率率小于1/33）起动的设设备。在电动动机轻载或空空载运行时，也也可利用该起起动设备作降降压运行，以以提高电动机机的功率因数数和效率。 （2）自耦变压压器降压起动动：三相自耦耦变压器（也也称补偿器）高高压边接电网网，低压边接接电动机，一一般有几个分分接头，可选选择不同的电电压比，相对对于不同起动动转矩的负载载。在电动机机起动后再将将其切除。其其优点是起动动电压可以选选择，如0.65、0.8或0.99UN，以适适应不同负载载的要求

9、。缺缺点是体积大大，重量重，且且要消耗较多多有色金属，故故障率高，维维修费用高。 (3) 磁控软软起动器：磁磁控软起动器器是利用控磁磁限幅调压的的原理，在电电动机起动过过程中电压可可由一个较低低的值平滑地地上升到全压压，使电动机机轴上的转矩矩匀速增加，起起动特性变软软，并可实现现软停车。但但其起控电压压在200VV左右，用户户不可调整，会会有较大的电电流冲击，且且体积较大。 (4) 对于高高压电机，可可在定子线路路中串联电抗抗器或水电阻阻实现降压起起动，待起动动完成后再将将其切除。但但电抗器成本本高，水电阻阻损耗又大。 (5) 对于绕绕线式异步电电动机，可在在转子绕组串串接频敏变阻阻器或水电阻

10、阻实现起动，待待起动完成后后再将其切除除。但频敏变变阻器成本高高，而水电阻阻损耗又大。其其他还有延边边三角形起动动，定子串电电阻起动等方方法。 值得指指出的是：尽尽管各种老式式降压起动方方法各有其优优缺点，但它它们有一个共共同的优点：就是没有谐谐波污染。 2.3 新型型的电子式软软起动器 随着电电力电子技术术和微机控制制技术的发展展，国内外相相继开发出一一系列电子式式起动控制设设备，用于异异步电动机的的起动控制，以以取代传统的的降压起动设设备。新型的的电子式软起起动器的主回回路一般都采采用晶闸管调调压电路，调调压电路由六六只晶闸管两两两反向并联联组成，串接接于电动机的的三相供电线线路上。当起起

11、动器的微机机控制系统接接到起动指令令后，便进行行有关的计算算，输出晶闸闸管的触发信信号，通过控控制晶闸管的的异通角,使起动器按按所设计的模模式调节输出出电压,以控控制电动机的的起动过程。当当起动过程完完成后，一般般起动器将旁旁路接触器吸吸合，短路掉掉所有的晶闸闸管，使电动动机直接投入入电网运行，以以避免不必要要的电能损耗耗，软起动器器的控制框图图如图1所示示。图1 软起动动器的控制框框图所谓“软起动”，实实际上就是按按照预先设定定的控制模式式进行的降压压起动过程。目目前的软起动动器一般有以以下几种起动动方式：(1) 限流软软起动：限流流起动顾名思思义就是在电电动机的起动动过程中限制制其起动电流

12、流不超过某一一设定值（IIm）的软起起动方式。主主要用在轻载载起动的负载载的降压起动动，其输出电电压从零开始始迅速增长，直直到其输出电电流达到预先先设定的电流流限值Im，然然后在保持输输出电流IIM的条件件下逐渐升高高电压，直到到额定电压，使使电动机转速速逐渐升高，直直到额定转速速。 这种起动动方式的优点点是起动电流流小，且可按按需要调整，（起起动电流的限限值Im必须须根据电动机机的起动转矩矩来设定，IIm设置过小小，将会使起起动失败或烧烧毁电机。）对对电网电压影影响小。其缺缺点是在起动动时难以知道道起动压降，不不能充分利用用压降空间，损损失起动转矩矩，起 动时时间相对较长长。(2) 电压钭钭

13、坡起动：输输出电压由小小到大钭坡线线性上升，将将传统的降压压起动变有级级为无级，主主要用在重载载起动。它的的缺点是起动动转矩小，且且转矩特性呈呈抛物线型上上升对起动不不利，且起动动时间长，对对电机不利。改改进的方法是是采用双钭坡坡起动：输出出电压先迅速速升至U1，UU1为电动机机起动所需的的最小转矩所所对应的电压压值，然后按按设定的速率率逐渐升压，直直至达到额定定电压。初始始电压及电压压上升率可根根据负载特性性调整。这种种起动方式的的特点是起动动电流相对较较大，但起动动时间相对较较短，适用于于重载起动的的电机。(3) 转矩控控制起动：主主要用在重载载起动，它是是按电动机的的起动转矩线线性上升的

14、规规律控制输出出电压，它的的优点是起动动平滑、柔性性好，对拖动动系统有利，同同时减少对电电网的冲击，是是最优的重载载起动方式。它它的缺点是起起动时间较长长。(4) 转矩加加突跳控制起起动与转矩控控制起动一样样也是用在重重载起动的场场合。所不同同的是在起动动的瞬间用突突跳转矩，克克服拖动系统统的静转矩，然然后转矩平滑滑上升，可缩缩短起动时间间。但是，突突跳会给电网网发送尖脉冲冲，干扰其它它负荷，使用用时应特别注注意。(5) 电压控控制起动是用用在轻载起动动的场合，在在保证起动压压降的前提下下使电动机获获得最大的起起动转矩，尽尽可能地 缩缩短起动时间间，是最优的的轻载软起动动方式。各种种软起动方

15、式的相应起起动曲线见图图2。图2 各种软软起动波形图图 停车方式有三种种：一是自由由停车，二是是软停车，三三是制动停车车。软起动器器带来的最大大好处是软停停车和制动 停车，软停停车消除了拖拖动系统的反反惯性冲击，对对于水泵 就就是“水锤”效效应；制动停停车则在一定定场合代替了了反接 制动动停车功能。2.4 软起起动器与传统统降压起动器器的比较软起起动器与传统统降压起动器器的性能比较较见表1：表1 软起动动器与传统降降压起动器的的比较2.5 软起起动器的适用用场合 (1) 生产设设备精密，不不允许起动冲冲击，否则会会造成生产设设备和产品不不良后果的场场合； (2) 电动机功功率较大，若若直接起动

16、，要要求主变压器器容量加大的的场合； (33) 对电网网电压波动要要求严格，对对压降要求10% UUN的供电系系统； (4) 对起动转转矩要求不高高，可进行空空载或轻载起起动的设备。 严格地地讲，起动转转矩应当小于于额定转矩550%的拖动动系统，才适适合使用软起起动器解决起起动冲击问题题。对于需重重载或满载起起动的设备，若若采用软起动动器起动，不不但达不到减减小起动电流流的目的，反反而会要求增增加软起动器器晶闸管的容容量，增加成成本；若操作作不当，还有有可能烧毁晶晶闸管。此时时只能采用变变频软起动。因因为软起动器器调压不调频频，转差功率率始终存在，难难免过大的起起动电流；而而变频器采用用调频调

17、压方方式，可实现现无过流软起起动，且可提提供1.22倍额定转转矩的起动转转矩，特别适适用于重载起起动的设备。但但是变频器的的价格就要比比软起动器的的价格高得多多了。3 异步电动动机经济运行行和优化节电电控制技术3.1 异步步电动机降压压节电技术概概述 对于满满载或重载运运行的电动机机，降低其端端电压将会造造成严重后果果，随着端电电压的降低，电电动机的磁通通和电动势随随之减小，铁铁耗无疑将下下降。但与此此同时，随电电压平方变化化的电动机转转矩也迅速下下降而小于负负载转矩，电电动机只能依依靠增大转差差率，提高电电磁转矩以达达到与负载转转矩相平衡的的状态。转差差率的增大，引引起转子电流流增大，同时时

18、引起定子和和转子电压间间的相角增大大，导致定子子电流增大，从从而使定子和和转子铜耗增增加值大大超超过铁耗的下下降值，这时时电动机绕组组温升将会增增高，效率将将会下降，甚甚至发生电动动机烧毁事故故。因而，一一般规程都规规定了电动机机正常运行时时电压变化范范围不得超过过额定电压的的95%1110%。 然而对对于轻载运行行的电动机，情情况就截然不不同，使供电电电压适当降降低，在经济济上是有利的的。这是因为为在轻载运行行时，电动机机的实际转差差率大大小于于额定值，转转子电流并不不大，在降压压运行时，转转子电流增加加的数值有限限。而另一方方面，却由于于电压的降低低，使空载电电流和铁损大大幅减少。在在这种

19、情况下下，电动机的的总损耗就可可降低，定子子温升，运行行效率和功率率因数同时得得到改善。由由此可见，电电动机的运行行经济性与电电动机负载率率同运行电压压是否合理匹匹配关系极大大。理论分析析表明电动机机的力能指标标（运行效率率与功率因数数）与其端电电压之间存在在如下的数量量关系2：（1）（2）SN和S电动动机额定工况况和降压运行行的转差率；和 电动机额额定工况和降降压运行的功功率因数；N和电动动机额定工况况和降压运行行的效率；KU电动机的的调压系数，KKU=U/UUN；UN和U电动动机额定电压压和降压运行行时的实际电电压；K1电动机的的空载电流系系数，K1=Io/INN；IN和Io一电电动机的额

20、定定电流和空载载电流。 从式（22）不难看出出：并不是所所有的降压行行为都能达到到节电的目的的，只有当电电压降低程度度大于转差率率及功率因数数上升程度时时，才能使运运行效率提高高。实际上，电电动机效率随随电压降低而而变化的关系系呈马鞍形曲曲线，对应于于每一个输出出功率（或负负载系数），必必然存在一个个最佳调压系系数Kum，当当Ku=Kuum时，电动动机的损耗最最低，效率最最高。Kumm称为电动机机的最佳电压压调节系数。不不同负载下最最佳电压调节节系数Kumm可按电动机机的负载系数数由下式确确定1：（33）式中： 电动动机额定负载载时的有功损损耗（kW）； Po电动动机的空载损损耗（kW）；K计

21、算系数，KK=（Po-Pfw）/PN； Pfw电电动机的机械械损耗（kWW）； 电动机机的负载系数数，=P22/PN1100% P2电动动机的输出功功率； PN电动动机的额定功功率。文献1给出出了轻载电动动机采用降压压节电措施后后，节约电能能的计算公式式为：节约的的有功功率 （4）节约的无功功率率： （55）节约的电能：（6）式中：QN电电动机带额定定负载时的无无功功率（KKvar）； QQo电动机机的空载无功功功率（Kvvar）； KKQ无功经经济当量，当当电动机直连连电机母线KKQ=0.0020.004，二次变变压取KQ=0.050.07，三三次变压取KKQ=0.0080.110； TTe

22、c电动动机年运行时时间（h）。3.2 优化化节电的控制制依据 (1) 功率因因数（ ）控控制法： 最早出出现的异步电电机优化节电电器为Laa 功率因数数控制器,其其原理是通过过检测电动机机运行中的 值，与预先先设定的基准准值比较，当当实际值低于于设定值时，说说明电动机为为轻载，通过过降低电动机机的端电压来来提高 ，直直到实际的 测量值达到到设定值为止止，实现了节节电； 数值值高表明是重重载，则升高高电机端电压压，以保证轴轴上的输出功功率。这是一一种间接节电电法：控制对对象是电动机机的功率因数数，而目的是是节电。由于于交流异步电电机的最佳功功率因数在全全工作范围内内呈曲线变化化；不同制造造厂生产

23、的同同一规格的异异步电机的功功率因数呈一一定的离散性性；同一台电电机在其新旧旧寿命期，在在同一工况下下的功率因数数也呈现一定定的离散性，这这就给设计和和调整带来一一定的困难。故故这种方法是是不能达到最最佳节电效果果的，并且理理论与实践都都已证明，过过高的功率因因数值对于异异步电机来说说，并不节电电。（2）最小输入入功率法： 交流异步电机工工作时，从电电网输入的电电功率P1，一一部分转换成成电机轴上的的机械功率PP2输出，另另一部分则是是自身的损耗耗PS，包括括铁耗与铜耗耗两部分。共共中铁耗与输输入电压的平平方成正比，而而铜耗则与其其电流的平方方成正比，只只有在铜耗等等于铁耗时，电电机的效率最最

24、高，损耗PPS最小。最最小输入功率率法的原理就就是在电机工工作的任一负负载点上，在在保证轴上机机械功率输出出的前提下，通通过降低电机机的端电压而而减小电机自自身的损耗，从从而达到节能能的目的。虽虽然降压可以以降低铁耗，而而当电压降到到一定程度之之后，若继续续下降，则电电流又要增加加，因而又增增加了铜耗。通通过微机自动动寻优，让铁铁耗和铜耗都都维持在最低低的水平，也也即电压与电电流的乘积输入的电电功率达到最最小值，实现现最优节电目目的。（3）突加负载载控制 当电动动机轴上的负负载急剧上升升时，又要能能在极短的时时间内（1100ms）将将电压提升到到额定值，保保证轴上有足足够的功率输输出，否则电电

25、机就会发生生堵转现象。所所以微处理器器在进行输入入功率优化控控制的同时，又又监视负载功功率的变化率率，一旦负载载功率的变化化率超过预先先设定的阈值值时，即判定定为突加负载载，立即提升升电机端电压压，保证电机机对负载变化化的快速响应应能力。 33.3 优优化节电的适适用对象 对于于电机转速无无严格要求，及及不需要调速速运行的场合合，特别是对对于经常大幅幅度变动的负负载，或者长长时间处于轻轻载或空载的的电动机，例例如轧钢机、锻锻压机、抽油油机等负载，使使用优化节电电技术，可以以收到明显的的节电效果。其其节电量视电电动机的负载载系数及轻载载运行的时间间长短而定。 3.4 降压起动优优化节电计算算实例

26、 为一台台轻载运行的的Y1600010/11730型66000V电电动机配置一一套优化控制制系统，着重重计算其起动动性能参数和和节电效果。 Y16600100/17300型电动机的的原始数据：额定功率PPN=16000kW，额额定电压UNN=6.0kkV，额定电电流IN=1185A，额额定转速nNN=595rr/min；最大转矩倍倍数=最大转转矩/额定转转矩=2.222，起动电电流倍数=堵堵转电流/额额定电流=55.53，起起动转矩倍数数=堵转转矩矩/额定转矩矩=0.8224，额定效效率N=994.49%，额定功率率因数 。电电动机额定负负载时的有功功损耗PNN=93.33kW，电动动机的空载

27、损损耗Po=229.6kWW，电动机的的空载电流IIo=46.25A，电电动机带额定定负载时的无无功功率QNN=918KKvar，电电动机的空载载无功功率QQo=4800.6Kvaar。(1) 轻载运运行降压节电电效果计算（1）不同负载载系数下，电电动机的最佳佳调压系数KKum的计算算按式（3）进进行，计算结结果示于表22。（2）当U=UUN时，不同同负载系数下下，电动机的的综合功率损损耗Pc的的计算按（77）式进行1 ，计计算结果示于于表2（77）（3）按最佳电电压调节系数数进行调压后后节省的电量量计算按式（44）、式（55）和式（66）进行，计计算结果示于于表2。表2 按最佳佳调压系数进进

28、行降压后节节省的电量计计算值电动机负载系数数B0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 最佳电压调节系系数Kum0.374 0.53 0.647 0.747 0.836 0.916 节省的有功功率率P（KW）24.217.0 11.0 6.4 3.0 0.86 节省的无功功率率Q（Kvarr）386.5300.8 224.8 157.0 97.6 47.2 节省的综合有功功功率P+KqQ（Kvarr）47.435.05 24.5 15.8 8.86 3.7 U=UN时电机机综合功率损损耗PC（KKW）59.3462.04 66.53 72.83 80.93 90.82 节电率（%）79%

29、56.4% 36.8% 21.7% 11% 4% (2) 降压起起动时电动机机起动特性估估算 由电动机机的原始数据据得知，电动动机直接起动动时，起动参参数如下：起起动电流IKK=5.533IN，起动动转矩Mk=0.8244MN。 采用降压起起动时，调压压系数Ku的的确定： （8）式中：Un电动机电压压，V； UN电电动机额定电电压，UN=6.0KVV MN生产机械械要求的最小小起动转矩，当当采用轻载起起动方式时，MMN0.22MN。 代代入有关数据据，得 。 采用降压起起动时，起动动参数计算 起动电流In=KUIKK=2.722IN起动电压Un=KUUNN=0.4993UN=22960V起动转

30、矩 降压起动的的节电效果计计算直接起动时从电电网吸收的无无功功率计算算1 （9）代入相关数据，得得 降压起动时从电电网吸收的无无功功率计算算1 （10）代入相关数据，得得 节约的无功功率率&nbbs 电网传传输Q所消耗的有有功功率 Pn=KQQQn=0.0680052.1=483.11kW 降压起起动的无功节节电率 4 异步电动动机的调压调调速 异步电电动机的调压压调速属低效效调速方式，因因为在调速过过程中始终存存在转差损耗耗，因此调压压调速有很大大的限制，不不是任何一台台普通的笼型型电机加上一一套晶闸管调调压装置，就就可以实现调调压调速的。 首首先必须改变变电动机的外外特性，新的的外特性必须

31、须使电动机有有一个宽广的的稳定的调速速范围。一般般要采用高转转差率电机，交交流力矩电机机或在绕线式式电机的转子子绕组中串接接电阻的方法法，并且要加加上转速闭环环控制，才能能进行稳定的的调速。 其次次是要将调速速过程中由于于转差功率引引起的转子的的温升很好地地导出机外，才才能实现长期期稳定工作。这这里可采取旋旋转热管结构构，也可采取取特殊风道冷冷却结构，都都是行之有效效的方法。 在电力力电子技术高高度发展的今今天，变频调调速装置的价价格已不再昂昂贵的情况下下，再考虑调调压调速，似似乎已无多大大的现实意义义了。5 智能马达达优化控制器器（IMOCC系列） 在对交交流异步电动动机的软起动动和优化节电电技术的长期期深入研究的的基础上，研研制成功了智智能马达优化化控制器（IIMOC系列列），适配电电机功率从55.5KW-110KWW。 该控制器