低压交流电动机的起动

1 引言
自从有了交流异步电动机，人们就不断研究它的起动方式。经过七、八十年的更新换代，到今天已经发明了几十种起动方法。每一次技术的更新都代表了人类对新科学技术的探索和进步，就如同生物细胞新陈代谢一样，不断更新自己，保障自己肌体的健康与活力。
交流异步电动机分鼠笼型和绕线型，在电压等级上又分高压电动机和低压电动机。现在市场上也流行着很多种起动方式,如何选择一种经济合理的起动方式就成了低压交流电机控制中的一个棘手问题。笔者就现在市场上流行和应用的诸种低压鼠笼型交流异步电动机起动方式进行分类研究，同时说明它们的应用价值和和各自的优缺点。
2 低压电动机起动方式的选择
2.1 GB50055-93中的规定
在《通用用电设备配电设备设计规范》GB50055-93中规定:
(1) 电动机起动时，其端子电压应能保证机械要求的起动转矩，且在配电系统中引起的电压波动不应妨碍其他用电设备的工作;
(2) 交流电动机起动时，配电母线上的电压应符合下列规定:
在一般情况下，电动机频繁起动时，不宜低于额定电压的90%;电动机不频繁起动时，不宜低于额定电压的85%;
配电母线上未接照明或其他对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁起动时，不应低压额定电压的80%;
配电母线上未接其他用电设备时，可按保证电动机起动转矩的条件决定;对于低压电动机，尚可保证接触器线圈的电压不低于释放电压。
(3) 笼型电动机和同步电动机起动方式的选择，应符合下列规定:
当符合下列条件时，电动机应全压起动:
电动机起动时，配电母线的电压符合2款规定;
机械能承受电动机全电压起动时的冲击转矩;
制造厂对电动机的起动方式无特殊规定。
当不符合全压起动的条件时，电动机宜降压起动，或选用其他适当的起动方式。
当有调速要求时，电动机的起动方式应与调速方式相配合。
2.2 JGJ/T 16-92中的规定
在中华人民共和国行业标准《民用建筑电气设计规范》JGJ/T 16-92中规定:由城市公用低压网络直接受电的场合，电动机允许全压起动的容量应与地区供电部门的规定相协调。如当地供电部门对允许鼠笼型电动机全电压起动容量无明确规定时，可按下述条件确定:由公用低压网络供电时，容量在11kW及以下者，可全压起动;由居住小区变电所低压配电装置供电时，容量在15kW及以下者可全压起动。
以上是国家标准和行业标准对电动机起动的要求。设计人员最容易考虑到的是电气参数，而容易忽略的是“机械能承受电动机全电压起动时的冲击转矩”。这条规定的含义:一是电动机全压起动时的冲击转矩不能造成机械设备的可靠性满足不了要求;二是要考虑由于全压起动时的冲击转矩使得机械设备寿命的降低或故障率的增加而带来的损失高于增加降压起动设备带来的投资。
如在皮带运输机中的应用中，造成皮带损坏的原因是皮带的运行磨损和起动瞬间皮带与物料的磨损，再就是起动瞬间对皮带的拉松。由于皮带价格比软起动器还要高，所以一般15kW以上的皮带机应采用软起动相对于全压起动对皮带造成的损坏更为经济，同样算法，45kW以上的水泵或风机采用软起动更经济。再加上有色金属价格的上涨，软起动器的成本已经低于自耦变压器的成本。尤其现在软起动器技术发展到今天，由于良好的起动效果与经济性几乎全部占领了降压起动的场合。
2005年TJNR1000型在线运行微功耗软起动器的产生更是给电动机的起动方式带来了一次革命，它不需要加旁路接触器，使得系统成本大大降低，而且可靠性高于接触器，尤其大功率型号的价格已经和进口的接触器相差无几，而能耗比接触器节省60%以上，使得运行更经济，对于改善电动机的起动起到了更好的促进作用。
3 降压起动器
低压鼠笼型交流异步电动机额定参数在3KW及以下的系列中绕组额定电压是220V，3kW以上的系列中绕组额定电压是380V，一般来讲在低压电机起动方式的选择时，都是优先选择全压起动，而在实际应用中如果条件不满足前述电机全压起动的电气或机械要求时，就需要采用降压起动也就是软起动方式。降压起动经常应用的有如下几种起动器类别。
3.1 自耦变压起动器
自耦变压起动器是利用自耦变压器的降压原理来实现对电动机绕组电压的降压，如图1所示。在过去的几十年里人们多数采用了此种起动方法，标准的起动电动机用的自耦变压器设有两个抽头，一个是80%的额定电压，一个是65%的额定电压，人们常用的是65%额定电压的抽头。它的起动转矩是常压状态下的0.4225倍，起动转矩比“Y-△”起动器大，所以此种降压起动方式应用较多。缺点是电压有级跳跃，起动电流有跳跃，电动机的转矩有跳跃。
3.2 “Y/△”起动器
“Y/△”起动器是利用“相-线电压变化”的原理来实现对电动机绕组电压的降压，如图2所示。在过去的几十年里，也有相当数量采用了此种起动方法，它是用三只接触器来实现对电动机的绕组电压由线电压变为相电压。它的起动转矩是常压状态下的1/3倍，起动转矩比自耦变压起动器小，所以此种降压起动方式应用较少于自耦变压起动器。缺点是电压有级跳跃，起动电流有跳跃，电动机的转矩有跳跃。它和自耦变压起动器相比造价正好节省一台自耦变压器的价格，因为“Y/△”起动器到电动机需要六根动力接线，所以在系统造价方面不一定节省。它主要用在对起动转矩要求不高且起动器到电动机的供电距离较近的场合。
3.3 磁控型软起动器
为了解决降压起动时电压有级跳跃和转矩有级跳跃的问题，在上个世纪90年代人们发明了磁控式软起动器，它是采用磁阻抗的原理来达到降压升压无级变化的目的，它是自耦变压起动器的改进如图3所示。磁控型软起动器是在一定的范围内能够达到电压连续可控。磁控型的软起动器分线式绕组和箔式绕组，箔式绕组从理上讲由于箔式绕组的容抗对无功电流的补偿，所以起动时，在同等起动电流的前提下转矩大于线式绕组。由于线式绕组磁控软起动器在上个世纪末被旁路型软起动器所淘汰，箔式绕组磁控软起动器是本世纪初的专利技术，由于磁控型的概念被人们认为是一种落后的产品，所以市场上已不多见，实际上它已经发生了质的变化，起动转矩高于所有的软起动器，对于仅考虑电网冲击或降压起动有困难的场合是比较理想的产品。它的优点是谐波小，在一定的范围内能达到无级变压。
3.4 电子软起动器
电子软起动器是上个世纪70年代由美国AB公司最新推出来，后来世界各大电气公司很快推出，但他们都是晶闸管在线运行，如图4所示，其优点是对电动机的起动控制与保护达到智能化，电路简单。在使用方面存在体积过大，重量过重(例如200kW的软起动器已重达56kg)，造价昂贵，功耗太大(相当于电动机容量的1.5%左右)，造成发热太大，热量难以排除的问题，而且谐波大，所以在使用上受到很大限制。
为了克服在线运行软起动器的缺点，到上世纪末国内厂家开始研制生产旁路型电子软起动器，如图5所示，在1998年国家颁布软起动器标准:“半导体电动机控制器标准”GB14048.6-1998。2000年笔者在全国范围内进行软起动起应用讲座，推广使用旁路型软起动器，到2001年各设计院开始设计选用旁路型软起动器，到了2002年90%的工程设计中均选用旁路型软起动器，很少选用自耦变压或“Y/△”起动器。但是，旁路型软起动器也是存在缺点，如:
(1) 电路复杂化，系统可靠性降低;
(2) 强大的智能控制器不能充分利用，有的不能对电动机保护;
(3) 增加了成套装置的体积和成本;
(4) 增加了维护与检修的难度。
为了克服旁路型软起动器的缺点，在2003年各电气公司纷纷开发内置旁路型软起动器。现在西安西驰、美国AB、西门子等三家已经推出了其全系列的内置旁路型软起动器，如图6所示，并且现在也有很多厂家正在部分系列推出内置旁路型软起动器。它的优点是既回避了晶闸管在线运行的缺点，又回避了旁路型的缺点。它体积小、重量轻、造价低、控制功能强大，是目前阶段最先进的软起动器，也最有实际应用价值。
3.5 其它软起动方式
在市场上还有一种对于低压鼠笼型交流电动机的软起动方式，即液体电阻。它有两种方式，它是仅靠液体电阻的热变特性来改变电动机的端电压，这种液体是用水加上适量的小苏打(碳酸氢钠，俗称起子面)形成混合导电液体(此混合液体的电阻率和液体的温度成反比，温度越低电阻率越大，温度越高电阻率越小)，在起动开始液体处于冷态，其电阻率大，电动机端电压低，随着液阻的耗电升温，电阻率下降，电动机的端电压上升，当电动机起动到一定的转速时，用接触器将液体电阻旁路掉，达到全压供电，使电动机达到全压运行。此原理在构成装置上有两种方案，一是起动电阻的分压仅靠液体电的变化来改变电动机的起动电压(见图7);二是在液体电阻的上端加一个动极板，在下端加一个静极板，起动时除了温度的上升造成电阻下降的同时，还减小液体电阻的导电距离，使其电阻降低的速度加快。
液体电阻起动器的名称比较多，但其基本原理都是一样的，它属串电阻起动，适用于绕线型交流电动机起动。而对于鼠笼型电动机串在定子绕组侧，是不合适的，在起动过程中，电阻会造成大量的电能浪费，另外大量的热量也难以处理。而且该产品不符合国家政策未列入国家标准，所以无法得到“CCC”认证，不宜推广使用。
4 结束语
对于低压鼠笼型交流电动机的起动方式的选择，在应用中可以首先考虑是否需要降压起动，而后再选取合适的起动器。软起动技术由自耦变压和“Y/△”起动器时代，发展到今天的电子软起动时代，得到了革命性的发展，其良好的实用性与经济性也使得其具有了更大的实际应用价值。而其中内置旁路型电子软起动器较之其他同类产品有着体积小、重量轻、造价低、控制功能强大等多种优点，是目前阶段最先进的软起动器，也最有实际应用价值，起到了完全替代其它类型软起动器的作用。