交流异步电机软起动及优化节能控制的技术研究

1前言

目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机(包括380V/660V低压电动机和3kV/6kV中压电动机)，有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态，白白地浪费掉大量的电能。究其原因，大致是由以下几种情况造成的：

(1)由于大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网及拖动系统的冲击和事故之外，8～10倍的起动电流也造成巨大的能量损耗;

(2)在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低;

(3)从电动机拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。

电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，并分别于1990年和1995年制定和修定了一个强制性的国家标准：(GB124971995)三相异步电动机经济运行。希望依此来规范三相异步电动机的经济运行，国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用，但对中压电动机则收效甚微。其原因是：

(1)中压电动机一般容量较大，一旦发生故障，其影响也大，因此对节电措施的可靠性的要求就更高;

(2)中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制，节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为上，国内尚无定型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。

2异步电动机的软起动

由于工业生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能提出了越来越高的要求，归纳起来有以下几个方面：

(1)要求电动机有足够大的，并且能平稳提升的

起动转矩和符合要求的机械特性曲线;

(2)尽可能小的起动电流;

(3)起动设备尽可能简单、经济、可靠，起动操作

方便;

(4)起动过程中的功率损耗应尽可能的少。

根据以上相互矛盾的要求和电网的实际情况，通常采用的起动方式有两种：一种是在额定电压下的直接起动方式，另一种是降压起动方式。

2.1直接起动的危害

直接起动是最简单的起动方式，起动时通过闸刀或接触器将电动机直接接到电网上。直接起动的优点是起动设备简单，起动速度快，但是直接起动的危害很大：

(1)电网冲击：过大的起动电流(空载起动电流可达额定电流的4～7倍，带载起动时可达8～10倍或更大)，会造成电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行，还可能使欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命;

(2)机械冲击：过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等;

(3)对生产机械造成冲击：起动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命;影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。

所有这些都给设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。因此对电动机直接起动有以下限制条件：(1)生产机械是否允许拖动电动机直接起动，这

是先决条件;

(2)电动机的容量应不大于供电变压器容量的

10%～15%;

(3)起动过程中的电压降△U应不大于额定电压

的15%。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接起动，而要求采用一定的起动设备，方可完成正常的起动工作。

2.2老式降压起动方式的适用场合及性能比较

降压起动的目的是减小起动电流，但它同时也使起动转矩下降了。对于重载起动，带有大的峰值负载的生产机械，就不能用这种方式起动。传统的降压起动有以下几种方法：

(1)星形/三角形转换器：这种方法适用于正常运行时定子绕组采用△接法的电动机。定子有六个接头引出，接到转换开关上，起动时采用星形接法，起动完毕后再切换成△接法。起动电压为220V，运行电压为380V。这种起动设备的优点是起动设备简单，起动过程中消耗能量少。缺点是有二次电流冲击，设备故障率高，需要经常维护，所以不宜使用在频繁起动的设备上。在转换过程中，由于瞬变电势和电动机剩磁产生的电势往往与电源电压有相位差，严重时会产生电压相加，引起过大的冲击电流和电磁转矩，因此大大地限制了它的使用。由于起动电压为运行电压的1/，故其起动转矩为额定转矩的1/3，只能用在空载或轻载(负载率小于1/3)起动的设备。在电动机轻载或空载运行时，也可利用该起动设备作降压运行，以提高电动机的功率因数和效率。

(2)自耦变压器降压起动：三相自耦变压器(也称补偿器)高压边接电网，低压边接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同起动转矩的负载。在电动机起动后再将其切除。其优点是起动电压可以选择，如0.65、0.8或0.9UN，以适应不同负载的要求。缺点是体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。

(3)磁控软起动器：磁控软起动器是利用控磁限幅调压的原理，在电动机起动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，起动特性变软，并可实现软停车。但其起控电压在200V左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体积较大。

(4)串联电抗器或水电阻：对于高压电机，可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压起动，待起动完成后再将其切除。但电抗器成本高，水电阻损耗又大。

(5)串接频敏变阻器或水电阻：对于绕线式异步电动机，可在转子绕组串接频敏变阻器或水电阻实现起动，待起动完成后再将其切除。但频敏变阻器成本高，而水电阻损耗又大。其他还有延边三角形起动，定子串电阻起动等方法。

值得指出的是：尽管各种老式降压起动方法各有其优缺点，但它们有一个共同的优点：就是没有谐波污染。

2.3新型的电子式软起动器

随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出一系列电子式起动控制设备，用于异步电动机的起动控制，以取代传统的降压起动设备。新型的电子式软起动器的主电路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的导通角α,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管主电路，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软起动器的控制框图如图1所示。

所谓“软起动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。目前的软起动器一般有以下几种起动方式：

(1)限流软起动：限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值(Im)的软起动方式。主要用在轻载起动的负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后在保持输出电流I这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整，(起动电流的限值Im必须根据电动机的起动转矩来设定，Im设置过小，将会使起动失败或烧毁电机。)对电网电压影响小。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。

图1软起动器的控制框图

图2各种软起动波形图[page]

(a)限流起动(b)电压斜坡起动(c)转矩控制起动

(d)转矩加突跳控制起动(e)电压控制起动

(2)电压斜坡起动：输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压起动变有级为无级，主要用在重载起动。它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，且起动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡起动：输出电压先迅速升至U1，U1为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电机。

(3)转矩控制起动：主要用在重载起动，它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，是最优的重载起动方式。它的缺点是起动时间较长。

(4)转矩加突跳控制起动：转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意。

(5)电压控制起动：电压控制起动是用在轻载起动的场合，在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式。各种软起动方式的相应起动曲线见图2。

停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。软起动器带来的最大好处是软停车和制动停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵就是“水锤”效应;制动停车则在一定场合代替了反接制动停车功能。

2.4软起动器与传统降压起动器的比较

软起动器与传统降压起动器的性能比较见表1。

2.5软起动器的适用场合

(1)生产设备精密，不允许起动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合;

(2)电动机功率较大，若直接起动，要求主变压器 产品主要性能数字式软起动器磁控降压起动器自耦降压起动器

起动特性软特性：用户可以调整特性较硬：不能调整硬特性：不能调整

起动电流特性曲线

起始电压0～380V任意可调200V左右：用户不能调整250V左右：用户不能调整

起动冲击电流无1次，约为电机额定电流IN的6倍2次，约为电机额定电流IN的7倍

起动电流(0.5～4)IN，用户可视负载轻重调整(2～3)IN以上，不能调整(3～5)IN以上，不能调整

电机转矩特性没有冲击转矩，力矩匀速平滑上升1次冲击转矩后，力矩匀速平滑上升力矩跳跃上升，有2次冲击转矩

负载适应能力强一般较差

能否频繁起动可以一般不能一般不能

起动方式限流软起动或电压斜坡起动任选区域恒流软起动分段式恒压起动

执行元件电力电子器件磁饱和电抗器(磁放大器)自耦变压器

控制元件和控制方式16位高性能单片计算机模糊控制继电器及普通电子元件继电电子控制继电器继电控制

整机重量/体积轻/小较重/较大重/大

外接电缆数量6根(3进、3出)6根或9根(130kW以上为：3进、6出)6根(3进、3出)

表1软起动器与传统降压起动器的比较

容量加大的场合;

(3)对电网电压波动要求严格，对压降要求≤

10%UN的供电系统;

(4)对起动转矩要求不高，可进行空载或轻载起

动的设备。

严格地讲，起动转矩应当小于额定转矩50%的拖动系统，才适合使用软起动器解决起动冲击问题。对于需重载或满载起动的设备，若采用软起动器起动，不但达不到减小起动电流的目的，反而会要求增加软起动器晶闸管的容量，增加成本;若操作不当，还有可能烧毁晶闸管。此时只能采用变频软起动。因为软起动器调压不调频，转差功率始终存在，难免产生过大的起动电流;而变频器采用调频调压方式，可实现无过流软起动，且可提供1.2～2倍额定转矩的起动转矩，特别适用于重载起动的设备。但是变频器的价格要比软起动器的价格高得多了。

3异步电动机经济运行和优化节电控制技术

3.1异步电动机降压节电技术概述

对于满载或重载运行的电动机，降低其端电压将会造成严重后果，随着端电压的降低，电动机的磁通和电动势随之减小，铁耗无疑将下降。但与此同时，随电压平方变化的电动机转矩也迅速下降而小于负载转矩，电动机只能依靠增大转差率，提高电磁转矩以达到与负载转矩相平衡的状态。转差率的增大，引起转子电流增大，同时引起定子和转子电压间的相角增大，导致定子电流增大，从而使定子和转子铜耗增加值大大超过铁耗的下降值，这时电动机绕组温升将会增高，效率将会下降，甚至发生电动机烧毁事故。因而，一般规程都规定了电动机正常运行时电压变化范围不得超过额定电压的95%～110%。

然而对于轻载运行的电动机，情况就截然不同，使供电电压适当降低，在经济上是有利的。这是因为在轻载运行时，电动机的实际转差率大大小于额定值，转子电流并不大，在降压运行时，转子电流增加的数值有限。而另一方面，却由于电压的降低，使空载电流和铁损大幅减少。在这种情况下，电动机的总损耗就可降低，定子温升，运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，电动机的运行经济性与电动机负载率同运行电压是否合理匹配关系极大。理论分析表明电动机的力能指标(运行效率与功率因数)与其端电压之间存在如下的数量关系[2]：

cosφ=(1)

η=(2)

式中：SN和S为电动机额定工况和降压运行的转差率;cosφN和cosφ为电动机额定工况和降压运行的功率因数;

ηN和η为电动机额定工况和降压运行的效率;

KU为电动机的调压系数，KU=U/UN(UN和U为电动机额定电压和降压运行时的实际电压);

KI为电动机的空载电流系数，KI=IO/IN(IN和

IO为电动机的额定电流和空载电流)。

从式(2)不难看出：并不是所有的降压行为都能达到节电的目的，只有当电压降低程度大于转差率及功率因数上升程度时，才能使运行效率提高。实际上，电动机效率随电压降低而变化的关系呈马鞍形曲线，对应于每一个输出功率(或负载系数)，必然存在一个最佳调压系数KUm，当KU=KUm时，电动机的损耗最低，效率最高。KUm称为电动机的最佳电压调节系数。不同负载下最佳电压调节系数KUm可按电动机的负载系数β由下式确定[1]：

KUm=(3)

式中：ΣPN为电动机额定负载时的有功损耗(kW);

PO为电动机的空载损耗(kW);

K为计算系数，K=(PO-Pfw)/ΣPN〔Pfw为电

动机的机械损耗(kW)〕;

β为电动机的负载系数，β=(P2/PN)·100%

(P2为电动机的输出功率，PN为电动机的

额定功率)。

文献[1]给出了轻载电动机采用降压节电措施后，节约电能的计算公式为：

节约的有功功率ΔP为：

ΔP=(ΣPN-PO)β2(1-1/KU2)+ΣPN(1-KU2)(4)

节约的无功功率ΔQ为：

ΔQ=(QN-QO)β2(1-)+QO(1-KU2)(5)

式中：QN为电动机带额定负载时的无功功率(kvar);

QO为电动机的空载无功功率(kvar)。

节约的电能ΔAC为：

ΔAC=Tec(ΔP+KQΔQ)(6)

式中：KQ为无功经济当量，当电动机直连电机母线

KQ=0.02～0.04，二次变压取KQ=0.05～

0.07，三次变压取KQ=0.08～0.10;

Tec为电动机年运行时间(h)。

3.2优化节电的控制依据

(1)功率因数(cosφ)控制法

最早出现的异步电机优化节电器为Nolacosφ功率因数控制器,其原理是通过检测电动机运行中的cosφ值，与预先设定的基准值比较，当实际值低于设定值时，说明电动机为轻载，通过降低电动机的端电压来提高cosφ，直到实际的cosφ测量值达到设定值为止，实现了节电;cosφ数值高表明是重载，则升高电机端电压，以保证轴上的输出功率。这是一种间接节电法：控制对象是电动机的功率因数，而目的是节电。由于交流异步电机的最佳功率因数在全工作范围内呈曲线变化;不同制造厂生产的同一规格的异步电机的功率因数呈一定的离散性;同一台电机在其寿命期不同阶段，在同一工况下的功率因数也呈现一定的离散性，这就给设计和调整带来一定的困难。故这种方法不能达到最佳节电效果，并且理论与实践都已证明，过高的功率因数值对于异步电机来说，并不节电。

(2)最小输入功率法

交流异步电机工作时，从电网输入的电功率P1，一部分转换成电机轴上的机械功率P2输出，另一部分则是自身的损耗PS，包括铁耗与铜耗两部分。其中铁耗与输入电压的平方成正比，而铜耗则与其电流的平方成正比，只有在铜耗等于铁耗时，电机的效率最高，损耗PS最小。最小输入功率法的原理就是在电机工作的任一负载点上，在保证轴上机械功率输出的前提下，通过降低电机的端电压而减小电机自身的损耗，从而达到节能的目的。虽然降压可以降低铁耗，而当电压降到一定程度之后，若继续下降，则电流又要增加，因而又增加了铜耗。通过微机自动寻优，让铁耗和铜耗都维持在最低的水平，也即电压与电流的乘积——输入的电功率达到最小值，实现最优节电目的。

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(3)突加负载控制

当电动机轴上的负载急剧上升时，又要能在极短的时间内(<100ms)将电压提升到额定值，保证轴上有足够的功率输出，否则电机就会发生堵转现象。所以微处理器在进行输入功率优化控制的同时，又监视负载功率的变化率，一旦负载功率的变化率超过预先设定的阈值时，即判定为突加负载，立即提升电机端电压，保证电机对负载变化的快速响应能力。

表2按最佳调压系数进行降压后节省的电量计算值 电动机负载系数β0.10.20.30.40.50.6

最佳电压调节系数KUm0.3740.530.6470.7470.8360.916

节省的有功功率ΔP(kW)24.217.011.06.43.00.86

节省的无功功率ΔQ(kvar)386.5300.8224.8157.097.647.2

节省的综合有功功率ΔP+KqΔQ(kvar)47.435.0524.515.88.863.7

U=UN时电机综合功率损耗PC(kW)59.3462.0466.5372.8380.9390.82

节电率(%)79%56.4%36.8%21.7%11%4%

3.3优化节电的适用对象

对于电机转速无严格要求，及不需要调速运行的场合，特别是对于经常大幅度变动的负载，或者长时间处于轻载或空载的电动机，例如轧钢机、锻压机、抽油机等负载，使用优化节电技术，可以收到明显的节电效果。其节电量视电动机的负载系数及轻载运行的时间长短而定。

3.4降压起动优化节电计算实例

为一台轻载运行的Y1600—10/1730型6000V电动机配置一套优化控制系统，着重计算其起动性能参数和节电效果。

Y1600—10/1730型电动机的原始数据：额定功率PN=1600kW，额定电压UN=6.0kV，额定电流IN=185A，额定转速nN=595r/min;最大转矩倍数=最大转矩/额定转矩=2.22，起动电流倍数=堵转电流/额定电流=5.53，起动转矩倍数=堵转转矩/额定转矩=0.824，额定效率ηN=94.49%，额定功率因数cosφN=0.879。电动机额定负载时的有功损耗ΣPN=93.3kW，电动机的空载损耗PO=29.6kW，电动机的空载电流IO=46.25A，电动机带额定负载时的无功功率QN=918kvar，电动机的空载无功功率QO=480.6kvar。

(1)轻载运行降压节电效果计算

①不同负载系数下，电动机的最佳调压系数KUm的计算按式(3)进行，计算结果示于表2：

②当U=UN时，不同负载系数下，电动机的综合功率损耗ΣPC的计算按式(7)进行[1]，计算结果示于表2。ΣPC=PO+β2(ΣPN-PO)+KQ[QO+β2(QN-QO)](7)

③按最佳电压调节系数进行调压后节省的电量计算按式(4)、式(5)和式(6)进行，计算结果示于表2。

(2)降压起动时电动机起动特性估算

由电动机的原始数据得知，电动机直接起动时，起动参数如下：起动电流IK=5.53IN，起动转矩MK=0.824MN。

①采用降压起动时，调压系数KU的确定：

KU=(8)

式中：Un为电动机电压，V;

UN为电动机额定电压，UN=6.0kV

Mn为生产机械要求的最小起动转矩，当采用轻载起动方式时，Mn≥0.2MN。

代入有关数据，得KU==0.493。

②采用降压起动时，起动参数计算

起动电流In=KU·IK=2.72IN

起动电压Un=KU·UN=0.493UN=2960V

起动转矩Mn=KU2·MK=0.2MN

③降压起动的节电效果计算

直接起动时从电网吸收的无功功率QK为[1]

QK=(9)

代入相关数据，得

QK=

=10631.6kvar

降压起动时从电网吸收的无功功率Qn为[1]

Qn=(10)

代入相关数据，得

Qn=

=2579.7kvar

节约的无功功率△Qn为：

△Qn=QK-Qn=8052.1kvar

电网传输△Qn所消耗的有功功率△Pn为：

△Pn=KQ·△Qn=0.06×8052.1=483.1kW

降压起动的无功节电率λ为：

λ=×100%=×100%=75.7%

4异步电动机的调压调速

异步电动机的调压调速属低效调速方式，因为在调速过程中始终存在转差损耗，因此调压调速有很大的限制，不是任何一台普通的笼型电机加上一套晶闸管调压装置，就可以实现调压调速的。

首先必须改变电动机的外特性，新的外特性必须使电动机有一个宽广的稳定的调速范围。一般要采用高转差率电机，交流力矩电机或在绕线式电机的转子绕组中串接电阻的方法，并且要加上转速闭环控制，才能进行稳定的调速。

其次是要将调速过程中由于转差功率引起的转子的温升很好地导出机外，才能实现长期稳定工作。这里可采取旋转热管结构，也可采取特殊风道冷却结构，都是行之有效的方法。

在电力电子技术高速发展的今天，变频调速装置的价格已不再昂贵的情况下，再考虑调压调速，似乎已无多大的现实意义了。

5智能马达优化控制器(IMOC系列)

在对交流异步电动机软起动和优化节电技术长期深入研究的基础上，研制成功了智能马达优化控制器(IMOC系列)，适配电机功率从5.5kW～110kW。

该控制器采用了16位马达控制专用单片微处理器Intel80C196MC，具有完善的检测控制功能;主功率器件则采用具有世界高技术水平的专利产品——集成移相调控晶闸管模块，该模块突破以往晶闸管模块的概念，将复杂的移相控制电路与晶闸管管芯创造性地集成为一体，组成一个完整的电力移相调控的开环系统。用它组成的控制器，不但使体积大大缩小，而且增加了设备的可靠性和抗干扰的能力。

在技术上更是集众家之长，并大大突破国内外同类产品的功能，除了起动保护，优化节电外，还增加了风机、水泵类负载的调速功能，抽油机间歇工作节电功能，无功功率就地补偿功能。尤其是完善的保护功能：过电流、过电压、过负载、短路、接地、缺相、相间不平衡及功率模块超温和电机超温保护等功能，是电机安全经济运行的保护神。该控制器具有以下功能特点：

(1)16位微电脑智能化控制，键盘设定，数码显

示，操作简单直观;

(2)软起动，软停车功能，有效减小起动冲击;

(3)优化马达运行方式，节电、改善功率因数;

(4)风机、水泵类负载的调压调速闭环控制功能;

(5)具有泵控制功能，可避免或减小液流喘振和

“水锤”效应;

(6)具有相平衡和电源电压自动补偿功能;

(7)具有完善的保护、报警功能;

(8)起动方式、起动电压、起动电流、额定电流及

负载类型等参数均可设定;

(9)具有远方控制及联网通讯功能;

(10)自诊断功能。

经过在不同工业现场的长期使用，取得了可观的经济效益。

6结论

(1)电子式软起动器结构简单，较之传统的△/Y起动器，自耦变压器起动器具有无触点、无噪音、重量轻、体积小，起动电流及起动时间可控制，起动过程平滑等优点，并且维护工作量小。当电动机空载或轻载时，节能效果显著，特别适用于短时满载，长时间空载的负载。

(2)对于高转差电机，实心转子电机，力矩电机等，尤其是在带风机、水泵类负载时，有较好的调速性能，但不适用于普通的笼型电机调速。

(3)采用智能控制器，具有完善的电机保护功能，保护整定值设置方便，保护性能可靠。

(4)其最大缺点是由于采用晶闸管移相控制，故对电网及电机均存在谐波干扰。