【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)扮演著不可或缺的角色，工程師通常聚焦于設(shè)備需完成的機(jī)械功特性。目標(biāo)參數(shù)通常由負(fù)載的扭矩特性、應(yīng)用所需的精度及允許的能耗決定。當(dāng)無需精確控制轉(zhuǎn)速與扭矩時(shí)，工業(yè)電機(jī)可采用直接啟動(dòng)(即開關(guān)式啟停)方式；而變頻器(VFD)則能在需要時(shí)提供更精細(xì)的轉(zhuǎn)速與扭矩調(diào)控，同時(shí)顯著降低電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械與電氣應(yīng)力。
 

　　對于特定應(yīng)用而言，電機(jī)的運(yùn)行特性固然重要，但電機(jī)的啟動(dòng)特性同樣不容忽視。啟動(dòng)一臺中壓感應(yīng)電機(jī)的最初幾秒鐘可能會帶來諸多挑戰(zhàn)。
 

　　感應(yīng)電機(jī)的原理
 

　　感應(yīng)電機(jī)由兩組導(dǎo)體線圈組成。定子線圈(固定的“電機(jī)繞組”)比較直觀，因?yàn)樗鼈兣c用戶連接并相互作用。轉(zhuǎn)子線圈(旋轉(zhuǎn))則不太直觀。轉(zhuǎn)子是一個(gè)由導(dǎo)電棒組成的圓柱體(類似于“鼠籠”或倉鼠輪)，在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)(沒有外部電氣連接)。
 

　　要理解感應(yīng)電機(jī)背后的物理原理，請考慮圖1中所示的兩個(gè)關(guān)鍵過程：
 

　　01當(dāng)電流圍繞圓形線圈流動(dòng)時(shí)，會感應(yīng)出垂直磁場。
 

　　02當(dāng)磁通量通過導(dǎo)電線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)出電流。
 

　　▲圖1：當(dāng)電流圍繞圓形線圈流動(dòng)時(shí)，會感應(yīng)出垂直磁場。當(dāng)磁通量通過導(dǎo)電線圈時(shí)，線圈中會感應(yīng)出電流。電流產(chǎn)生磁性。磁性產(chǎn)生電流。
 

　　電流產(chǎn)生磁性，磁性產(chǎn)生電流。當(dāng)額定電壓初始施加到定子線圈時(shí)，線圈的初始阻抗較低，導(dǎo)致電流較大(電流=電壓/阻抗)。這種相對較高的定子電流，按比例感應(yīng)出強(qiáng)磁場。磁場通過氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子線圈，感應(yīng)電流在轉(zhuǎn)子線圈中閉環(huán)。正如閉環(huán)定子電流感應(yīng)出磁場一樣，轉(zhuǎn)子線圈中新感應(yīng)出的電流也會感應(yīng)出自己的反向磁場。這些磁力相互作用，會將扭矩施加到轉(zhuǎn)子軸上。隨著轉(zhuǎn)子速度的增加，反電動(dòng)勢電壓也會增加。增加的反EMF抵消了施加的電壓，降低了施加在定子線圈上的有效電壓。
 

　　降低定子上的有效電壓，反過來會降低定子電流，從而降低定子電流感應(yīng)出的磁場，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁場減小。當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子電流會減小，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。
 

　　對于典型的中壓電機(jī)，在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前，其啟動(dòng)電流可能是穩(wěn)態(tài)額定滿載電流的5到7倍。啟動(dòng)電流在電機(jī)繞組和轉(zhuǎn)子線圈上產(chǎn)生較大的機(jī)械力和熱應(yīng)力。因此，許多大型電機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)定了每小時(shí)最大的啟動(dòng)次數(shù)。限制啟動(dòng)次數(shù)可以使轉(zhuǎn)子在持續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之前，恢復(fù)到可接受的溫度。需要注意的是，電機(jī)的電阻溫度檢測器(RTD)用于監(jiān)測定子線圈溫度，通常沒有直接方法來測量轉(zhuǎn)子線圈的溫度。
 

　　直接啟動(dòng)電流會對電源產(chǎn)生壓力。在5000馬力的電機(jī)上，啟動(dòng)電流可能與電力系統(tǒng)上30 MVA的負(fù)載相當(dāng)。根據(jù)電力供應(yīng)變壓器的容量和阻抗，這種啟動(dòng)負(fù)載可能會導(dǎo)致供電電壓大幅下降，影響電力系統(tǒng)中的其他用戶，并可能引發(fā)電力公司的經(jīng)濟(jì)處罰。
 

　　降低啟動(dòng)電流以延長電機(jī)的使用壽命
 

　　降壓啟動(dòng)器(RVS)和降壓軟啟動(dòng)器(RVSS)提供了一種減少有害電機(jī)啟動(dòng)電流的傳統(tǒng)方法。這些設(shè)備將大電阻陣列或自耦變壓器與電機(jī)串聯(lián)，或使用半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，以降低啟動(dòng)時(shí)的可用電壓。一旦電機(jī)啟動(dòng)，降壓裝置被隔離，全幅電壓被切換到電機(jī)。
 

　　根據(jù)歐姆定律，電流與電壓成正比。使用RVS裝置將啟動(dòng)電壓降低50%，可以將相應(yīng)的電流降低約50%(見圖2)。雖然與600%的跨線啟動(dòng)電流相比，這意味著大幅降低，但300%的啟動(dòng)電流仍會對電機(jī)加熱和啟動(dòng)負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響，并會給配電系統(tǒng)施加巨大的啟動(dòng)負(fù)載。
 

　　▲圖2：使用降壓啟動(dòng)器將啟動(dòng)電壓降低50%，將使電流降低約50%。雖然與600%的跨線起動(dòng)電流相比，這意味著顯著的電流降低，但300%的起動(dòng)電流仍會對電機(jī)發(fā)熱和起動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生負(fù)面影響，并且仍會給配電系統(tǒng)帶來巨大的起動(dòng)負(fù)載。使用降壓啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)評估所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。如果降低的上拉轉(zhuǎn)矩?zé)o法加速負(fù)載，將導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
 

　　降壓啟動(dòng)方案還需考慮對可用啟動(dòng)扭矩的影響。隨著啟動(dòng)電壓的降低，可用的啟動(dòng)扭矩與電壓降低的平方成比例地降低。例如，電壓降低50%，啟動(dòng)扭矩將降低到額定啟動(dòng)扭矩的(50%)2 = 25%。在實(shí)施降壓啟動(dòng)解決方案時(shí)，評估所需的負(fù)載扭矩至關(guān)重要。如果減小的上拉扭矩不足以加速負(fù)載，將導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。盡管可采用機(jī)械裝置在啟動(dòng)時(shí)脫離負(fù)載，但這會增加額外成本與系統(tǒng)復(fù)雜度。
 

　　變頻器為管理電機(jī)啟動(dòng)提供了理想的解決方案。與只能降低電壓的啟動(dòng)器不同，變頻器可以調(diào)節(jié)施加的電壓和頻率，以獲得最佳的電機(jī)性能。通過保持最佳的電壓與頻率比，變頻器可以在100%額定電流下啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生100%的額定扭矩。
 

　　運(yùn)行效率的提高使變頻器控制的電機(jī)，能夠比直接啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生更大的啟動(dòng)扭矩，同時(shí)消除了與線啟動(dòng)電機(jī)和RVS解決方案相關(guān)的電機(jī)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和系統(tǒng)電壓降(圖3)。在很多應(yīng)用中，變頻器是在現(xiàn)有公用事業(yè)電源上啟動(dòng)大型中壓電機(jī)唯一可接受的方法。
 

　　▲圖3：變頻器可以調(diào)節(jié)施加的電壓和頻率，以實(shí)現(xiàn)最佳的電機(jī)性能。通過保持最佳的電壓與頻率比(V/Hz)，變頻器可以在100%額定電流下啟動(dòng)電機(jī)，同時(shí)在整個(gè)速度范圍內(nèi)產(chǎn)生100%的額定扭矩。
 

　　使用變頻器進(jìn)行中壓電機(jī)啟動(dòng)的唯一潛在缺點(diǎn)是成本。在不需要速度或扭矩控制的應(yīng)用中，用多個(gè)變頻器來操作多個(gè)中壓電機(jī)可能成本過高。對于這些應(yīng)用，同步切換(Synchronous Transfer)提供了一種使用單臺變頻器有效啟動(dòng)多臺電機(jī)的方法，一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，就可以將每個(gè)電機(jī)平穩(wěn)地切換到公用線路電源。
 

　　閉路過渡同步切換與效率提升
 

　　在中壓閉路過渡(Closed Transition)同步切換中，使用變頻器來啟動(dòng)和加速電機(jī)(如圖3中的藍(lán)線所示)，一旦達(dá)到60Hz的額定電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器就會將其輸出的電壓和頻率與市電供電的線路電源電壓和頻率精確同步。當(dāng)波形匹配時(shí)，接觸器閉合，將市電電源連接到變頻器輸出。由于電壓和相位已經(jīng)同步，線路和變頻器之間基本上沒有電流流動(dòng)，而兩者都為電機(jī)提供電流。在連接兩個(gè)電源的短暫(閉路過渡)的同步運(yùn)行后，變頻器輸出關(guān)閉，第二個(gè)接觸器打開，將變頻器與電路隔離，使電機(jī)只連接到公用電源。一旦與第一個(gè)電機(jī)斷開，變頻器就可以啟動(dòng)其它電機(jī)，而第一個(gè)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行在市電線路電源上。
 

　　此過程被稱為閉路過渡，因?yàn)樽冾l器將市電電源的幅值和相位與其自身的輸出精確同步，以便在“先合后斷”的切換期間(圖4中“驅(qū)動(dòng)功率”和“市電線路功率”重疊的時(shí)期)同時(shí)連接兩者。區(qū)分封閉式過渡轉(zhuǎn)換與“開放式”轉(zhuǎn)換或“旁路”序列非常重要。在開放的“先斷后合”轉(zhuǎn)換中，變頻器將電機(jī)加速到一定速度，但隨后只是斷開連接，允許電機(jī)不受控制地旋轉(zhuǎn)，直到市電線路接觸器閉合，完成向線路的開放轉(zhuǎn)換。
 

　　▲圖4：圖中所示為一個(gè)閉路過渡，因?yàn)樽冾l器將市電電源的幅度和相位與其自身的輸出同步非常精確，以至于在“先通后斷”的過渡期間，兩者可以同時(shí)連接。
 

　　由于幅值和相位不同步且不受控制，因此在開路過渡期間關(guān)閉旁路接觸器會產(chǎn)生很大的機(jī)械瞬態(tài)扭矩，因?yàn)槭须娋�路電源試圖將電機(jī)拉到同步狀態(tài)，同時(shí)還會產(chǎn)生相應(yīng)的瞬態(tài)電流，可能導(dǎo)致上游過流跳閘或不可接受的電源電壓下降。
 

　　閉路過渡同步轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，可通過一個(gè)變頻器平穩(wěn)啟動(dòng)多個(gè)中壓電機(jī)。與傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法不同，變頻器保持對所連接電機(jī)的全速和扭矩控制。例如，在圖5中，應(yīng)用負(fù)載可能需要電機(jī) 3 與線路同步，或者可能需要變頻器保持速度控制。該控制器可以設(shè)計(jì)為根據(jù)負(fù)載的要求運(yùn)行。
 

　　▲圖5：三電機(jī)同步傳輸電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用：輸出接觸器將變頻器連接到電機(jī)3。變頻器啟動(dòng)并加速電機(jī)3。
 

　　配備閉路過渡同步切換功能的變頻器在啟動(dòng)多臺電機(jī)時(shí)，可徹底規(guī)避傳統(tǒng)啟動(dòng)方法引發(fā)的電機(jī)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力及系統(tǒng)電壓暫降問題。通過加速完成后將電機(jī)切換至電網(wǎng)供電，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率得以提升(消除變頻器滿載運(yùn)行時(shí)的熱損耗)。該技術(shù)融合了變頻器啟動(dòng)優(yōu)勢與電網(wǎng)供電的高效性，實(shí)現(xiàn)"啟動(dòng)控制"與"運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性"的雙重優(yōu)化。