SCR晶闸管移相式交流调压用于异步电动机的启动控制存在致命弊端

一、概述 三相异步电动机的工作原理，其核心是三相正弦交流电通入三相对称交流绕组产生一个大小恒定、方向连续匀角速变化的圆旋转磁场；转子绕组在定子圆旋转磁场中切割磁力线产生感应电势、感应电流；转子绕组感应电流在旋转磁场中受到电磁转矩作用，异步转动，把电能转化为机械能。 当异步电机起动时，旋转磁场n1通电后即刻建立，而转子由静止到额定转速运行，有一个转差率S由1到0的起动过程。转差率为1时，转子转速n2为零，转子绕组以n1转速相对运动切割磁力线，电磁感应强烈，感生电势、感应电流很大；从电机等效电路看，感抗XL大，功率因数低接近零；虽起动电流达额定电流的4-7倍，而起动时转矩却最小； 特别是，在电源容量一定的情况下，电机功率超过一定数值时，强大的起动电流，将造成供电线路压降超过允许范围，使得同网电气设备出现不正常运行；同时，电机也难以起动或起动过热烧损； 长期以来，人们创作出许多好的起动设备，有效限制起动电流，设法提高起动转矩。如传统的降压起动法有自偶降压起动、星三角降压起动；提高功率因数改变转矩特性曲线的方法有绕线式转子电路串电阻起动；特别是电力电子技术高速发展的今天，简单易行的变频设备已成现实，性能优越的变频起动，由于降低了起动转差率S，提高了功率因数，实现异步电机在额定电流、额定转矩下起动，令人赞叹，美名其曰“软启动”。 但是，近些年来，市场上出现一种叫“软启动”的设备，它是用三组反并联的两个SCR晶闸管，串联在电源与异步电动机之间，通过改变晶闸管的导通角α的大小，即移相控制，把交流电正弦波形，剪切变形，改变占空比，从而改变电机绕组端电压的正弦性质为脉冲式交流电压，企图以先进的电子控制模式实现所谓异步电机“软启动”。 二、理论依据不成立 这种软起动的理论依据之一是，SCR晶闸管移相控制实现了电压U斜坡控制。实现了电压斜坡控制，就实现了电流斜坡控制，即降低了电压，也就意味着限制了电流。我们大家明白，SCR晶闸管移相控制实现的电压斜坡，是交流电压的平均值或有效值的电压斜坡，它不等于电机起动的转速斜坡控制。我们看看变频器的软起动，变频器输出交流电的频率f斜坡控制，因为同步转速n1正比电源频率f，所以频率f斜坡控制就等于实现了转速斜坡控制； 恰恰相反，由于SCR晶闸管移相控制把交流电正弦波形，剪切变形为脉冲式交流电压，从本质上改变了异步电机的转动机理。其旋转磁场不再是园旋转磁场，即磁场的大小脉动，方向也不是匀速连续旋转。从等效电路看，相对于脉冲电流电路感抗增大，功率因数进一步下降，转矩进一步减小，起动过程更加恶劣。特别是随着电压斜坡的下降，此情况愈显严重。电机在电压斜坡期间由于转矩小而无力起动，处于耗能发热的堵转状态。只有在电压斜坡的上端，SCR晶闸管导通角接近180度，电压接近额定电压380v时，电磁转矩恢复，电机方才启动，此时电机的电压、电流并不小。 星三角降压起动、自偶变压器降压起动，这些传统启动方式，降压不改变正弦交流电的波形性质，降压不降功率因数。我们假设：一台电机用传统方式刚好起动，起动电压U1，起动电流I1，起动功率因数为COSθ1，起动转矩M1，负载反力矩Mf，即 M 1=CeU1I1COSθ1=Mf 如果采用SCR晶闸管移相软起动，起动电压U2，起动电流I2，起动功率因数为COSθ2，起动转矩M2= CeU2I2COSθ2，若：U2=U1，I2=I1，由于功率因数低COSθ2＜COSθ1，电磁转矩小M2＜M 1，而无法启动。要起动必须增大电压U2＞U1、电流I2＞I1，在U2I2增大到传统启动方式U1I1的COSθ1/ COSθ2倍时即： M2= CeU2I2COSθ2=CeU1I1（COSθ1/COSθ2）COSθ2= CeU1I1COSθ1=Mf 电机才可起动。也就是说，以电机起动时的UI值看，SCR晶闸管移相软起动比传统方式大COSθ1/ COSθ2倍。 这就是说，SCR晶闸管移相软起动实现电压斜坡控制，实现电流斜坡控制，并不等于实现了转速斜坡控制，并不等于电机起动时的电流、电压小。你只要用电压表测量电机启动时的电压总是接近380v时才起动，就可证明这一结论的正确性。 我们都知道，降压起动由于降压，也降了电磁转矩，只适宜电机空载或轻载起动的场合。那么起动性能更差的SCR晶闸管移相软起动就根本不适宜做异步电机起动设备。难怪乎它总是被用在风机、泵类设备，因为这类设备的起动转矩小，相当于空载起动。 这种软起动的理论依据之二是，实现了先进的电子自动控制模式，通过参数设定起动、停车时间的控制，恒转矩控制，恒流控制，启动模式控制等。 我们先看看变频器能实现电机起动、运行的各种控制的基本原理和数学模型，就是同步转速n1正比电源频率f（n1=60f/P），通过控制输出交流电的频率f，就控制了电机同步转速n1，控制了转差率S(S=(n1- n2)/n1)，控制了转差率S就控制了转子电路的感抗、功率因数、感生电势、感生电流、电磁转矩；通过控制输出交流电的频率f，就控制了电机同步转速n1，就控制了电机起动、停车的时间； 那末SCR晶闸管移相软起动有没有类似的数学模型？没有！SCR晶闸管移相控制的参数是导通角α，无论你怎么改变控制导通角α，改变电压的斜坡，都无法控制电机起动过程的同步转速n1，无法控制电机起动过程的转差率S。所以通过参数设定起动、停车时间的控制，恒转矩控制，恒流控制，启动模式控制等都是一句无法实现的空话。 这种软起动的理论依据之三是，实现了电机连续起动，克服了降压起动等传统起动方式的二次切换，二次冲击； 了解异步电机特性的人都明白，电机启动后转差率S小，电机等效为电阻性负载，切换有电压、电流、转速、转矩的变化，但处在特性曲线的稳定运行区，因而不存在有害的破坏性冲击。夸大切换过程的弊端，不是学术研究讨论的正常做法，有商业利益驱动之嫌。 三、不适宜启起动异步电机这样的场合 SCR晶闸管移相控制技术，早在上世纪60年代就广泛应用于可控整流直流电机调速，而交流调压广泛用于恒温控制、舞台调光等电阻性负载，由于其输出的非正弦脉冲不适宜启起动异步电机这样的场合，所以所有理论书、教科书中至今没有这方面的应用内容，没有这方面的记载和论述，更没有“软起动”的概念。 用SCR晶闸管移相控制启动电动机的过程是一个高无功损耗、低功率因数、低转矩的高耗能的启动过程，高次谐波在绕组上产生过电压，损坏电机绝缘。克拉玛依油田企业，有很多单位高价进了这种所谓软启动箱，没用几天，很快就被淘汰出局。晶闸管移相式软启动这种未经过国家权威机构科学论证、实际检验的不成熟产品，违反了国家机电产品生产、销售的基本法规。它的流行将给企业正常生产造成不良影响，将造成社会财富的巨大浪费。 参考文献： ［1］康华光主编．《电子技术基础》(数字部分)．北京：高等教育出版社，1988年10月第三版 ［2］电机学，机械工业出版社出版，哈尔滨电机制造学校主编