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文|探長
編輯|史家小探長
序言
近些年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，許多行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模越來越大，使用中、高壓異步電動機(jī)的數(shù)量也越來越多，單機(jī)容量越來越大，于是中大容量高壓水泵的起動問題越來越引發(fā)人們的注意。
據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，我國每年生產(chǎn)的電能大概有60％轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而這其中耗能最多的就是異步電動機(jī)。異步馬達(dá)因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、運(yùn)行維護(hù)便捷和機(jī)械特點(diǎn)能滿足大多數(shù)機(jī)械的要求而成為工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)的重要設(shè)備。
傳統(tǒng)的高壓水泵直接起動缺陷
傳統(tǒng)的直接起動是用刀閘開關(guān)或接觸器把電動機(jī)的轉(zhuǎn)子定子直接接到額定電流的電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單和起動設(shè)備價錢低廉，但其同時具有極其顯著的缺點(diǎn)：
(1)電網(wǎng)沖擊：異步馬達(dá)直接起動時會有很大的起動電壓，通常為馬達(dá)額定電壓的4~7倍，在空載起動時，甚至?xí)?~10倍額定電壓的起動沖擊電壓。
該沖擊電壓會導(dǎo)致電網(wǎng)電流升高，影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能使欠壓保護(hù)動作，導(dǎo)致設(shè)備的有害合閘。同時過大的起動電壓會使馬達(dá)定子發(fā)熱，進(jìn)而加速絕緣老化，影響馬達(dá)壽命。
(2)機(jī)械沖擊：起動過程中有特別大的起動沖擊電壓的同時，往往伴隨著很大的起動沖擊力矩，而該扭矩常常會引起馬達(dá)定子籠條、端環(huán)破裂和轉(zhuǎn)子端部絕緣銹蝕，致使擊穿燒機(jī)、轉(zhuǎn)軸扭曲、聯(lián)軸節(jié)、傳動蝸桿損傷和皮帶破裂等。
(3)對生產(chǎn)機(jī)械導(dǎo)致沖擊：起動過程中的壓力突變常常會導(dǎo)致水泵機(jī)械系統(tǒng)承受過大的壓力，這會使機(jī)械系統(tǒng)使用壽命減短，傳動精度減少，甚至影響正常的過程控制。
考慮降低契約容量的經(jīng)濟(jì)性較差，為了解決以上問題，人們采用Y/?變換、自耦變壓器降糖起動、定子串內(nèi)阻或檢波器起動、磁控降糖軟起動、水阻或液阻軟起動等起動方式，
但各類傳統(tǒng)的起動方式都有各自比較顯著而又無法克服的缺點(diǎn)，Y/?變換起動不能從根本上去除機(jī)械和電氣的瞬變現(xiàn)象，只能進(jìn)行一些消弱，因而未能起到真正軟起的目的；
自耦變壓器起動器起動時會出現(xiàn)大壓降和高電壓峰值，存在二次大的電壓沖擊，裝置本身容積大且故障率高，須要大量的維護(hù)工作，且不宜頻繁起動；
轉(zhuǎn)子串內(nèi)阻或檢波器起動具有同變換起動類似的問題，但是當(dāng)應(yīng)用在高壓異步馬達(dá)的軟起動時，設(shè)備容積過大，且耗損特別大；
磁控軟起動器沒有二次電壓沖擊，但因?yàn)槠淇勺儥z波值較小，仍存在一次電壓沖擊，且容積較大，反應(yīng)速率較慢；水阻或液阻軟起動裝置易受環(huán)境影響，受控性比較差。
隨著各類新型電子電子元件的出現(xiàn)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以電力電子器為主要開關(guān)元件的異步馬達(dá)軟起動方式，如變頻軟起動、晶閘管軟起動以及由二極管軟起動延展下來的開關(guān)變壓器式軟起動等，這種方式對上述各類傳統(tǒng)起動方式出現(xiàn)的問題都有了挺好的解決。
高壓異步馬達(dá)的新型電子式軟起動器
隨著電力電子元件如二極管又叫做可控硅檢波器(，SCR)、可關(guān)斷二極管(-，GTO)、電力晶體管(，GTR)、絕緣柵雙極晶體管(-r，IGBT)等的迅速發(fā)展，以及電力電子技術(shù)和控制理論的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了以下的新型的電力電子式的高壓異步馬達(dá)軟起動方法：
1．變頻軟起動：變頻裝置一般用于調(diào)速裝置，亦可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)軟起動的功能。變頻器是通過改變馬達(dá)端電流的頻度來改變馬達(dá)電壓的大小，調(diào)節(jié)馬達(dá)端電流的頻度，也會使馬達(dá)怠速急劇改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)的無級調(diào)速。
采用高壓變頻器起動高壓水泵雖非良好的靜、動態(tài)起動性能，但高壓變頻器價錢非常高昂，另外因?yàn)槲覈邏鹤冾l技術(shù)還處于發(fā)展階段，其可靠性還有待提升，
且主要應(yīng)用于負(fù)載怠速須要變化的場合，單純作為軟起動裝置使用，是一種很大的浪費(fèi)，這也是這些技巧應(yīng)用不多的誘因。
2．開關(guān)變壓器軟起動：為繞開SCR耐壓難關(guān)，國人研發(fā)出的一種借變壓器降糖，從副邊接入SCR的技巧。由于SCR無需串連而增加了二極管使用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，增加了裝置的成本。
然而，這是以降低相當(dāng)容量的變壓器為代價的技巧。容量大時，還將面臨SCR均流并聯(lián)的新問題。開關(guān)變壓器的低壓定子與二極管和控制系統(tǒng)相連，通過改變其低壓定子上的電流來改變高壓定子上的電流，以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的軟起動。
3．二極管軟起動：由電力電子學(xué)交流調(diào)壓原理，通過對二極管觸發(fā)角進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)繞組端電流的調(diào)節(jié)，即增加馬達(dá)繞組端電流，
在怠速一定的情況下，轉(zhuǎn)子端電流和電樞電壓成反比關(guān)系，因而減少轉(zhuǎn)子端電流的同時增加了轉(zhuǎn)子電壓，馬達(dá)怠速穩(wěn)定提高，直至達(dá)到額定怠速。這些起動方法應(yīng)用二極管作為開關(guān)器件，因?yàn)槠骷匀惶幱陂_斷狀態(tài)，因而耗損十分小。
該方式挺好的解決了異步馬達(dá)起動電壓沖擊的主要問題，而且可以實(shí)現(xiàn)多種綜合保護(hù)，以及馬達(dá)的輕載節(jié)能。因?yàn)槎O管軟起動的普通起動方法在起動馬達(dá)時的實(shí)質(zhì)是降糖起動，是以犧牲起動力矩為代價的。
因而其要求馬達(dá)的負(fù)載不能過大，為解決馬達(dá)重載起動問題，在保持原拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，出現(xiàn)了離散變頻軟起動，該起動方式通過開通個別周波，關(guān)斷個別周波，實(shí)現(xiàn)將電源電流進(jìn)行有級的分頻。
由馬達(dá)起動扭矩多項(xiàng)式，馬達(dá)的起動力矩與電流平方成反比，與頻度成正比，因而在增加電流頻度的同時力矩會提升，因而離散變頻起動在減少起動電壓的同時可以提升起動力矩，實(shí)現(xiàn)重載起動。
高壓異步馬達(dá)的重載起動
無論是傳統(tǒng)軟起動方式，還是二極管軟起動常用起動方法，即斜坡電流起動、恒流起動和電壓突跳起動等電動車電機(jī)電流過大的原因，本質(zhì)上都是降糖起動，由異步馬達(dá)電磁力矩與端電流的關(guān)系曉得，電磁力矩與端電流的平方成反比，
因而在降糖起動的同時，電磁力矩大幅度增長，損失了大量的起動力矩，因而此前所提到的二極管軟起動方法均易于馬達(dá)輕載或則空載起動，而在馬達(dá)帶重載時，則容易出現(xiàn)難以將馬達(dá)順利起動，甚至導(dǎo)致馬達(dá)堵轉(zhuǎn)而毀壞馬達(dá)。
高壓異步馬達(dá)在好多情況下都運(yùn)行于重載的情況下，因而在不改變主電路拓?fù)涞臈l件下，高壓異步馬達(dá)的重載起動成為了一個困局。由電磁力矩與電源頻度的關(guān)系曉得，電磁力矩與電源頻度成正比，因而，假如在增加電流導(dǎo)致扭矩?fù)p失的同時可以減少電源的頻度就可以提升電磁力矩。
所謂離散變頻就是使軟起動器分級增加異步馬達(dá)輸入電源的頻度，即在馬達(dá)起動過程中，使電流頻度從一個比較小年率分級逐漸增至50Hz，進(jìn)而提高低電流時的扭矩。
然而離散變頻是分級變頻，并不能使軟起動器的輸出電流頻度連續(xù)的變化，它只能形成工頻的N分頻，使頻度分布離散地降低，最后達(dá)到工頻。
進(jìn)行最后一次頻度切換時，馬達(dá)的怠速約為額定怠速的一半，起動過程并沒有結(jié)束，所以切換到50Hz后，仍采用傳統(tǒng)的軟起動方式繼續(xù)起動，即改變觸發(fā)角，逐步減小轉(zhuǎn)子定子的端電流，
盡管分級變頻的后半部份是和傳統(tǒng)的軟起動方式一樣的，而且它改善了起動器控制低速運(yùn)行的馬達(dá)的能力，使馬達(dá)在低速運(yùn)行時，電壓較小，力矩較大，所以采用分級變頻的軟起動控制器可以帶額定負(fù)載起動的馬達(dá)實(shí)現(xiàn)軟起動。
三相分頻
通過控制變流器的導(dǎo)通時刻，可以使電路接通50Hz工頻電流的幾個半波，之后斷掉幾個周波，形成各類不同頻度的電流，
比如，兩個周期50Hz波形包括兩個正半波和兩個負(fù)半波，只讓其中一個正半波和一個負(fù)半波通過，其周期就減小為原先的兩倍，頻度就減少為原先的二分之一即25Hz，同理可以實(shí)現(xiàn)16.7Hz、12.5Hz、10Hz、6.25Hz、3.85Hz等頻度的分頻。
實(shí)際上，經(jīng)離散變頻后得到的波形不再是正弦波，它是由余弦量經(jīng)混頻產(chǎn)生的等效正弦波形，而正是因?yàn)殡x散變頻的波形是經(jīng)混頻產(chǎn)生的，難以產(chǎn)生檢波及逆變環(huán)節(jié)，因而未能做到像變頻器一樣可以進(jìn)行任意頻度的變換，即難以進(jìn)行真正意義上的變頻。
推論
二極管軟起動技術(shù)作為高壓異步馬達(dá)軟起動十分具有應(yīng)用價值的一種起動方法，具有非常優(yōu)越的起動性能。經(jīng)多年發(fā)展，該技術(shù)早已處于研制實(shí)用性設(shè)備階段，具有非常寬廣的市場前景。
首先選擇應(yīng)用最廣泛、性能最優(yōu)越的星形聯(lián)接形式作為二極管軟起動主電路的結(jié)構(gòu)，同時給出了該聯(lián)接形式下的二極管觸發(fā)角斬波范圍。
對混頻調(diào)壓電路的脈沖觸發(fā)形式調(diào)整，得到了更具實(shí)用性的脈沖觸發(fā)形式。對二極管軟起動系統(tǒng)的閉環(huán)控制量進(jìn)行對比剖析，得到以電壓作為閉環(huán)控制系統(tǒng)反饋量的具有更優(yōu)秀控制特點(diǎn)的推論。
其次二極管軟起動方式的傳統(tǒng)起動方法在本質(zhì)上都是降糖起動，因此存在難以應(yīng)用在重載起動場合的問題，為改善這些情況電動車電機(jī)電流過大的原因，采用離散分頻的方式增加馬達(dá)電源的頻度，以提升馬達(dá)的起動力矩。
針對離散分頻軟起動方法，進(jìn)行了/的仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該起動方法對高扭矩負(fù)載具有良好的起動性能。
最后對各類起動方法進(jìn)行了低壓異步馬達(dá)和高壓異步馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)，其中低壓異步馬達(dá)進(jìn)行了包括直接起動、恒流起動、斜坡電壓起動、電流突跳起動、軟停等多種實(shí)驗(yàn)，高壓異步馬達(dá)進(jìn)行了直接起動和恒流起動的實(shí)驗(yàn)，低壓馬達(dá)和高壓水泵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明了該裝置的有效性和實(shí)用性。
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