【儀表網 行業科普】在現代工業應用中，電機扮演著不可或缺的角色，工程師通常聚焦于設備需完成的機械功特性。目標參數通常由負載的扭矩特性、應用所需的精度及允許的能耗決定。當無需精確控制轉速與扭矩時，工業電機可采用直接啟動(即開關式啟停)方式；而變頻器(VFD)則能在需要時提供更精細的轉速與扭矩調控，同時顯著降低電機系統的機械與電氣應力。
對于特定應用而言，電機的運行特性固然重要，但電機的啟動特性同樣不容忽視。啟動一臺中壓感應電機的最初幾秒鐘可能會帶來諸多挑戰。
感應電機的原理
感應電機由兩組導體線圈組成。定子線圈(固定的“電機繞組”)比較直觀，因為它們與用戶連接并相互作用。轉子線圈(旋轉)則不太直觀。轉子是一個由導電棒組成的圓柱體(類似于“鼠籠”或倉鼠輪)，在定子內旋轉(沒有外部電氣連接)。
要理解感應電機背后的物理原理，請考慮圖1中所示的兩個關鍵過程：
01當電流圍繞圓形線圈流動時，會感應出垂直磁場。
02當磁通量通過導電線圈時，線圈中感應出電流。
▲圖1：當電流圍繞圓形線圈流動時，會感應出垂直磁場。當磁通量通過導電線圈時，線圈中會感應出電流。電流產生磁性。磁性產生電流。
電流產生磁性，磁性產生電流。當額定電壓初始施加到定子線圈時，線圈的初始阻抗較低，導致電流較大(電流=電壓/阻抗)。這種相對較高的定子電流，按比例感應出強磁場。磁場通過氣隙到達轉子線圈，感應電流在轉子線圈中閉環。正如閉環定子電流感應出磁場一樣，轉子線圈中新感應出的電流也會感應出自己的反向磁場。這些磁力相互作用，會將扭矩施加到轉子軸上。隨著轉子速度的增加，反電動勢電壓也會增加。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出的磁場，進而降低轉子中的感應電流，導致轉子磁場減小。當電機達到額定轉速時，定子和轉子電流會減小，直至達到穩態運行條件。
對于典型的中壓電機，在電機達到額定轉速前，其啟動電流可能是穩態額定滿載電流的5到7倍。啟動電流在電機繞組和轉子線圈上產生較大的機械力和熱應力。因此，許多大型電機的設計規定了每小時最大的啟動次數。限制啟動次數可以使轉子在持續穩態運行之前，恢復到可接受的溫度。需要注意的是，電機的電阻溫度檢測器(RTD)用于監測定子線圈溫度，通常沒有直接方法來測量轉子線圈的溫度。
直接啟動電流會對電源產生壓力。在5000馬力的電機上，啟動電流可能與電力系統上30 MVA的負載相當。根據電力供應變壓器的容量和阻抗，這種啟動負載可能會導致供電電壓大幅下降，影響電力系統中的其他用戶，并可能引發電力公司的經濟處罰。
降低啟動電流以延長電機的使用壽命
降壓啟動器(RVS)和降壓軟啟動器(RVSS)提供了一種減少有害電機啟動電流的傳統方法。這些設備將大電阻陣列或自耦變壓器與電機串聯，或使用半導體開關設備，以降低啟動時的可用電壓。一旦電機啟動，降壓裝置被隔離，全幅電壓被切換到電機。
根據歐姆定律，電流與電壓成正比。使用RVS裝置將啟動電壓降低50%，可以將相應的電流降低約50%(見圖2)。雖然與600%的跨線啟動電流相比，這意味著大幅降低，但300%的啟動電流仍會對電機加熱和啟動負荷產生負面影響，并會給配電系統施加巨大的啟動負載。
▲圖2：使用降壓啟動器將啟動電壓降低50%，將使電流降低約50%。雖然與600%的跨線起動電流相比，這意味著顯著的電流降低，但300%的起動電流仍會對電機發熱和起動負載產生負面影響，并且仍會給配電系統帶來巨大的起動負載。使用降壓啟動時，應評估所需的負載轉矩。如果降低的上拉轉矩無法加速負載，將導致電機堵轉。
降壓啟動方案還需考慮對可用啟動扭矩的影響。隨著啟動電壓的降低，可用的啟動扭矩與電壓降低的平方成比例地降低。例如，電壓降低50%，啟動扭矩將降低到額定啟動扭矩的(50%)2 = 25%。在實施降壓啟動解決方案時，評估所需的負載扭矩至關重要。如果減小的上拉扭矩不足以加速負載，將導致電機堵轉。盡管可采用機械裝置在啟動時脫離負載，但這會增加額外成本與系統復雜度。
變頻器為管理電機啟動提供了理想的解決方案。與只能降低電壓的啟動器不同，變頻器可以調節施加的電壓和頻率，以獲得最佳的電機性能。通過保持最佳的電壓與頻率比，變頻器可以在100%額定電流下啟動電機，同時在整個轉速范圍內產生100%的額定扭矩。
運行效率的提高使變頻器控制的電機，能夠比直接啟動電機產生更大的啟動扭矩，同時消除了與線啟動電機和RVS解決方案相關的電機熱應力、機械應力和系統電壓降(圖3)。在很多應用中，變頻器是在現有公用事業電源上啟動大型中壓電機唯一可接受的方法。
▲圖3：變頻器可以調節施加的電壓和頻率，以實現最佳的電機性能。通過保持最佳的電壓與頻率比(V/Hz)，變頻器可以在100%額定電流下啟動電機，同時在整個速度范圍內產生100%的額定扭矩。
使用變頻器進行中壓電機啟動的唯一潛在缺點是成本。在不需要速度或扭矩控制的應用中，用多個變頻器來操作多個中壓電機可能成本過高。對于這些應用，同步切換(Synchronous Transfer)提供了一種使用單臺變頻器有效啟動多臺電機的方法，一旦達到穩態運行，就可以將每個電機平穩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，使用變頻器來啟動和加速電機(如圖3中的藍線所示)，一旦達到60Hz的額定電機轉速，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。當波形匹配時，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同步，線路和變頻器之間基本上沒有電流流動，而兩者都為電機提供電流。在連接兩個電源的短暫(閉路過渡)的同步運行后，變頻器輸出關閉，第二個接觸器打開，將變頻器與電路隔離，使電機只連接到公用電源。一旦與第一個電機斷開，變頻器就可以啟動其它電機，而第一個電機繼續運行在市電線路電源上。
此過程被稱為閉路過渡，因為變頻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“驅動功率”和“市電線路功率”重疊的時期)同時連接兩者。區分封閉式過渡轉換與“開放式”轉換或“旁路”序列非常重要。在開放的“先斷后合”轉換中，變頻器將電機加速到一定速度，但隨后只是斷開連接，允許電機不受控制地旋轉，直到市電線路接觸器閉合，完成向線路的開放轉換。
▲圖4：圖中所示為一個閉路過渡，因為變頻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閉旁路接觸器會產生很大的機械瞬態扭矩，因為市電線路電源試圖將電機拉到同步狀態，同時還會產生相應的瞬態電流，可能導致上游過流跳閘或不可接受的電源電壓下降。
閉路過渡同步轉換技術提供了一種經濟高效的方法，可通過一個變頻器平穩啟動多個中壓電機。與傳統的啟動方法不同，變頻器保持對所連接電機的全速和扭矩控制。例如，在圖5中，應用負載可能需要電機 3 與線路同步，或者可能需要變頻器保持速度控制。該控制器可以設計為根據負載的要求運行。
▲圖5：三電機同步傳輸電機啟動應用：輸出接觸器將變頻器連接到電機3。變頻器啟動并加速電機3。
配備閉路過渡同步切換功能的變頻器在啟動多臺電機時，可徹底規避傳統啟動方法引發的電機熱應力、機械應力及系統電壓暫降問題。通過加速完成后將電機切換至電網供電，穩態運行效率得以提升(消除變頻器滿載運行時的熱損耗)。該技術融合了變頻器啟動優勢與電網供電的高效性，實現"啟動控制"與"運行經濟性"的雙重優化。
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