三相异步电动机传统起动方式与软起动的研究

于阳

摘 要：软起动是降压起动方式的一种。它通过电动机软起动器接于电源与被控电机之间，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压。石油钻探中，软起动已经逐渐取代了传统的星形-三角形起动的方式。

关键词：软起动 直接起动 降压起动

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（a）-0162-01

三相异步电动机在石油工业尤其是石油钻探中应用非常广泛，大到用于配制钻井液的混合泵电机，用于剔除有害固相的除砂泵、除泥泵电机，离心机，空气压缩机等，小至保持钻井液流动性的搅拌器电机、补充钻井液的补给泵电机等。根据具体功能，电机功率、电网容量的不同，它们的起动方式也不尽相同，基本可分为两大类：直接起动和降压起动，而石油钻探中经常使用的降压起动方式基本分为星形-三角形（Y-△）换接起动和软起动。

1 三相异步电动机的起动方式

笼型电动机的起动方法有直接起动与降压起动两种。

1.1 直接起动

直接起动又称全压起动就是利用闸刀开关或接触器将电动机直接接到额定电压的电源上。该方法设计简单，电机响应快，耗时短，容易维修。但是由于起动电流较大，线路电压下降明显，常造成电机无法正常起动，甚至会对电网发生冲击，影响其他用电设备。对于二三十千瓦以下的电机，通常可采用直接起动。

1.2 降压起动

降压起动指在起动阶段降低电机定子绕组的外部电压，起动结束后，再将定子绕组端电压恢复正常值。这种方法起动电流小，不过电机起动转矩也较小，在石油钻探中笼型电动机的负载端通常为液压泵，负载较轻，所以非常适宜采用降压起动。

1.2.1 星形-三角形（Y-△）换接起动

在早期的钻井队中，通常使用星形-三角形降压起动电动机，这种接法，在起动时定子绕组采用星形连接，正常运转时采用三角形连接。起动时定子绕组连接成星形，相电压为正常工作电压的，起动电流为直接起动时的。当电动机正常运转时，绕组切换为三角形接法。在控制方面可采用手动或者自动的方式完成电路的切换。Y-△换接起动有效的降低了电流对电网的冲击，同时它还有另外一个优点，当负载较轻时，可以让电机保持在星形状态运行，当额定转矩与负载匹配时，电动机的效率得以提高，同时还节省了电力。很多公司生产的离心机都采用了这样的设计。

1.2.2 软起动

软起动是降压起动方式的一种。它通过电动机软起动器接于电源与被控电机之间，控制其内部晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压。石油钻探中，软起动已经逐渐取代了传统的星形-三角形起动的方式。它在起动过程中冲击电流更小的同时，还保证了起动转矩可调。在应用中一台软起动器往往可以起动两三台电机，这样的设计减少了电气元件的使用，方便安装和维修。

2 软起动器在国内的发展

软起动器于20世纪70年代末和80年代初投入市场，填补了星-三角起动器和变频器在功能实用性和价格之间的鸿沟。采用软起动器，可以控制电动机电压，使其在起动过程中逐渐升高，很自然地控制起动电流，因此，软起动器在市场上得到广泛应用，并且软起动器所附带的软停车功能有效地避免水泵停止时所产生的“水锤效应”。由于中国工业技术一直较为落后，变频器产业也刚刚起步，国外变频器的成本较高。而国内鼠笼型异步电动机一般采用直接起动，或用自耦、星三角起动器起动。上世纪90年代，以单片机为核心、半导体可控硅为执行元件的智能化电机软起动器进入中国市场，并在2000年以后开始加速发展，目前市场规模约为20亿。

3 软起动器的工作原理

软起动以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的早晚来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变电动机三相定子绕组的电压。由于电动机转矩与定子电压的平方成正比，电流与定子电压成正比。这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制，所以不同的初始相角可实现不同端电压，电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定，以满足不同的负载起动要求。

4 传统电动机起动与软起动的优缺点

传统电动机起动如直接起动方式具有起动简单，造价低廉，电动机响应快等特点，在石油钻探行业中他广泛应用20 kW以下的小电机的起动。有些钻井队拥有大功率发电机，单独的大容量变压器，这种情况下使用直接启动很方便，也不用电动机对电网的干扰。但是对于其他情况下大功率电机的起动，过高的起动电流会对电网产生很大的冲击，造成功率震荡。同时起动电流里的高次谐波还会引起继电器的误动作，自动控制失灵等故障。而星形-三角形降压起动的方式，虽然解决了起动电流大的问题，但是由于其可靠性较低，起动转矩不可控等缺点已逐渐被淘汰。

软起动器起动过程的优缺点。

主要优点有以下几点。

（1）起动电压为无级调节，线性上升，有效避免了起动冲击电流，且起动时间短于传统降压起动方式。

（2）起动转矩虽然也随起动电流下降而下降，但连续可调，对负载的适应范围明显增大。

（3）可适应频繁起动。一般每小时起动次数可允许6—0次，且电机不至于过热。主回路为无触点电路，故障率降低，可靠性增强。

主要缺点是：

（1）起动过程中会产生谐波，对电网产生不利影响。

（2）价格相对较高。

随着变频器技术的逐渐成熟，变频器的价格不断降低，变频器可能会逐渐取代软起动器，但是我们不能否认软起启器已经并且还会在未来很长的时间内在电动机领域发挥很重要的作用。

参考文献

[1] 秦曾煌.电工学[M].6版.高等教育出版社.

[2] 潘新民.单片微型计算机实用系统设计[M].人民油田出版社，1992.