[編者按] 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程是國(guó)家發(fā)改委制定的國(guó)家中長(zhǎng)期節(jié)能規(guī)劃中的重點(diǎn)工程。

目前我國(guó)各類電動(dòng)機(jī)總裝機(jī)容量約4.2億kW，實(shí)際運(yùn)行率比國(guó)外低10%~30%，用電量占全國(guó)總用電量的

60%左右。如果對(duì)這些電動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改造，推廣變頻調(diào)速、自動(dòng)化系統(tǒng)控制技術(shù)，使運(yùn)行效率提高2 個(gè)百分

點(diǎn)，年節(jié)電就可達(dá)到200 億kW·h。

為了推廣變頻技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用，普及變頻技術(shù)的理論知識(shí)，本刊特邀徐甫榮高工，專門撰寫一輯

“變頻技術(shù)應(yīng)用講座”，分6 期刊出。主要面向應(yīng)用變頻技術(shù)的初學(xué)者，從電動(dòng)機(jī)及電力拖動(dòng)的基本知識(shí)入手，

由淺入深地講述變頻技術(shù)的工作原理，通過工程應(yīng)用實(shí)例，分析應(yīng)用變頻器時(shí)會(huì)遇到的問題，提出解決方案，

指導(dǎo)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員將變頻技術(shù)用于自己的實(shí)際工作中。

1 電機(jī)的基本知識(shí)

1.1 電機(jī)的分類

由于電能的生產(chǎn)、輸送和使用都比較方便，因而電能得到了廣泛的使用。在電能的生產(chǎn)、輸送和使用過程中，電機(jī)起著重要的作用。電機(jī)主要有：

發(fā)電機(jī)生產(chǎn)電能的設(shè)備;

變壓器(靜止電機(jī))輸送電能的設(shè)備;

電動(dòng)機(jī)使用電能的設(shè)備。

電動(dòng)機(jī)又可以分為：

1.2 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1.2.1 固有機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性如圖1所示。

1.2.2 人為機(jī)械特性

異步電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性(調(diào)速特性)如圖2、圖3、圖4所示。

1.3 電動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

2.7 拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性

拖動(dòng)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性如圖5—圖9 所示。[!--empirenews.page--]

3 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)

3.1 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

3.1.1 直接起動(dòng)

直接起動(dòng)也就是全壓起動(dòng)，是一種最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方法。顯然，這時(shí)起動(dòng)電流比較大，可達(dá)額定電流的4耀7倍，根據(jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際測(cè)量，某些籠形異步電動(dòng)機(jī)甚至可達(dá)到8耀12 倍!同時(shí)，起動(dòng)電流的大小與電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)所帶的負(fù)載的大小有直接的關(guān)系。

對(duì)于須經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過大的起動(dòng)電流將造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，使絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)的壽命;同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組(特別是端部)在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能造成短路而燒壞電動(dòng)機(jī)，甚至?xí)罐D(zhuǎn)子籠條斷裂和與端環(huán)的焊接處開裂;過大的起動(dòng)電流，也會(huì)使線路壓降增大，造成電網(wǎng)電壓顯著下降而影響到接在同一電網(wǎng)的其他異步電動(dòng)機(jī)的工作，有時(shí)甚至?xí)顾鼈兺Ｏ聛砘驘o法帶負(fù)載起動(dòng)，這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst 與最大轉(zhuǎn)矩Tm 均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，若電網(wǎng)電壓降低太多，會(huì)使Tst和Tm降到低于Tz ，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停轉(zhuǎn)。

一般規(guī)定，異步電動(dòng)機(jī)的功率低于7.5 kW 時(shí)允許直接起動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率大于7.5 kW，而電源的總?cè)萘枯^大，能符合式(9)的要求時(shí)，電動(dòng)機(jī)也允許直接起動(dòng)。

如果不能滿足式(9)的要求，則必須采用降壓起動(dòng)的方法，將起動(dòng)電流I1st 限制到允許的數(shù)值。

3.1.2 降壓起動(dòng)

由于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst 與最大轉(zhuǎn)矩Tm 都與定子所加電壓的平方成正比，任何降壓起動(dòng)的方法都只適合于可輕載起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，一般允許的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的60%以下。降壓起動(dòng)方法有以下幾種。

1)定子串電阻(包括水電阻)降壓起動(dòng)電阻上

有能量消耗，但起動(dòng)階段的功率因數(shù)較高。

2)定子串電抗器降壓起動(dòng)電抗器本身的功率消耗較小，但有勵(lì)磁或控制的功率消耗，且功率因數(shù)較低，成本較高。

3)自耦變壓器降壓起動(dòng)起動(dòng)是有級(jí)的，一般有0.65Un，0. 80 Un 抽頭，如圖10所示。

4)星形—三角形(Y-D)起動(dòng)如圖11所示，只適用于空載或輕載起動(dòng)的負(fù)載，且只適用于吟接法運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)。因?yàn)楫?dāng)電動(dòng)機(jī)的定子繞組由吟接法改為Y型接法以后，加在繞組上的電壓為原來的1/姨3 ，則電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為原來的1/3，所以只適用于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的1/3以下的負(fù)載，且通過開關(guān)控制，有二次沖擊。

5)延邊三角形起動(dòng)如圖12所示。

6)電子式晶閘管移相控制軟起動(dòng)器如圖13 所示。

3.1.3 變頻軟起動(dòng)

是電動(dòng)機(jī)最好的軟起動(dòng)方式，它的優(yōu)越性有：

1)可實(shí)現(xiàn)平滑的連續(xù)升頻軟起動(dòng);

2)可實(shí)現(xiàn)無起動(dòng)過電流;

3)對(duì)電網(wǎng)和生產(chǎn)機(jī)械無沖擊;

4)可減小電路容量，在同樣的電源容量下即可

增加電動(dòng)機(jī)的裝機(jī)容量，節(jié)省電網(wǎng)投資。

3.2 三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

3.2.1 轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動(dòng)

繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)，不僅可以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的，還可以增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少起動(dòng)時(shí)間。因此，繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)比籠型異步電動(dòng)機(jī)有較好的起動(dòng)特性，適用于功率較大的需重載起動(dòng)的場(chǎng)合，如球磨機(jī)等。

3.2.2 轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)頻敏變阻器起動(dòng)

轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻起動(dòng)時(shí)，電阻上有功率損耗，轉(zhuǎn)子串聯(lián)頻敏變阻器起動(dòng)就像定子串聯(lián)電抗器起動(dòng)一樣，損耗很小，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、制造容易、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、能自動(dòng)操作等多種優(yōu)點(diǎn)，已獲得大量應(yīng)用。

3.3 同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

同步電動(dòng)機(jī)相對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)來說有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)困難。為了解決同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問題，在同步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)上采取了一些措施，把類似于異步電動(dòng)機(jī)的鼠籠型轉(zhuǎn)子繞組，裝到了同步機(jī)的極靴上，鼠籠式繞組的導(dǎo)條用的是電阻率較高的的黃銅或鋁青銅，在導(dǎo)條的兩端用端環(huán)聯(lián)成一體，叫做起動(dòng)繞組。有了起動(dòng)繞組以后，當(dāng)定子繞組接上電源，便能產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，使同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)起來，這個(gè)過程與鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程是一樣的。

但是，異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是達(dá)不到同步速的，不過與同步速已經(jīng)很接近了(95% ~97%同步速)，我們稱之為亞同步速。當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)用異步起動(dòng)，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到亞同步速時(shí)，立即給它的勵(lì)磁繞組通入勵(lì)磁電流，將它牽入同步，這就是同步電動(dòng)機(jī)的異步起動(dòng)方法。

同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，由異步牽入同步的過程是一個(gè)復(fù)雜的過渡過程，還不一定能夠成功。一般地說，在牽入同步前轉(zhuǎn)差率越小，同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量越小，負(fù)載越輕(一般是空載起動(dòng))，牽入同步就越容易。還有，在起動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁繞組也不能開路，否則，在大滑差時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)會(huì)對(duì)它感應(yīng)出一個(gè)較高的電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)有可能會(huì)損壞它的絕緣。但是，起動(dòng)時(shí)如果把勵(lì)磁繞組短路的話，又會(huì)在勵(lì)磁繞組內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)比較大的感應(yīng)電流，這個(gè)電流與氣隙磁場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生單軸轉(zhuǎn)矩，單軸轉(zhuǎn)矩太大，有可能會(huì)使同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速起動(dòng)不到同步速。解決這個(gè)問題的辦法是在勵(lì)磁繞組回路里串聯(lián)一個(gè)電阻R 后再閉合，這樣就可以大大地減小單軸轉(zhuǎn)矩。一般這個(gè)電阻R=10 Rf(Rf是勵(lì)磁繞組的電阻)即可。

自上世紀(jì)80年代以來，由于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，對(duì)于大型同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)可以采用一種軟起動(dòng)的方式：使用由晶閘管組成的高電壓、大容量變頻起動(dòng)裝置，通過調(diào)節(jié)整流器輸出的直流電壓大小，采用自控式逆變(LCI)方式改變同步電動(dòng)機(jī)的輸入頻率，使電動(dòng)機(jī)始終在同步狀態(tài)下從靜止起動(dòng)加速，平滑地加速到電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，再將電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行。

這種起動(dòng)裝置的容量只需要電動(dòng)機(jī)容量的1/4即可。起動(dòng)加速時(shí)功率消耗小，并且可以用在多臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)循環(huán)起動(dòng)的場(chǎng)合，用一套起動(dòng)裝置順次起動(dòng)數(shù)臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)，以便節(jié)省投資。電動(dòng)機(jī)是在同步轉(zhuǎn)速下并入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)不存在沖擊，因此是一種比較理想的起動(dòng)裝置。例如我國(guó)上海寶鋼一號(hào)高爐的大型鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)就是用一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的，它的容量為12 000 kW，它使用了一套4 800 kW的晶閘管變頻器作為起動(dòng)裝置，使電動(dòng)機(jī)能在高效率、高功率因數(shù)下起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行可靠。