【儀表網 行業科普】了解常見的電機啟動方法及其之間的差異，有助于企業為任何給定過程選擇最佳方案。
感應電機將電能轉換為機械能。在轉換過程中，電源連接到電機定子，產生旋轉磁場，使轉子旋轉并啟動電機。當電機啟動時，它會產生很大的啟動電流。
該啟動電流也被稱為浪涌電流，通常比電機的額定電流高5到8倍。高浪涌電流很容易損壞或燒毀電機的繞組，并導致電源電壓大幅下降，從而損壞連接到同一電源的其它負載。因此，通過提供電機啟動器或驅動器來保護電機免受浪涌電流的影響是非常重要的。
無論是排氣扇、鼓風機還是壓縮機，電機啟動器都是任何電機的重要組成部分。電機的啟動和運行有多種選擇，包括帶接觸器的跨線啟動器、帶自耦變壓器的降壓軟啟動器(RVAT)或帶固態控制和變頻器(VFD)的降壓軟啟動器(RVSS)。每種方法在成本、規格和功能方面都各有其優缺點。
01 全壓電機啟動器
電機啟動最基本的方法之一是跨線啟動，也稱為全電壓或直接啟動。全壓電機啟動器通常包括三個部件：接觸器、電機電路保護器和過載繼電器。圖1詳細說明了全壓電機啟動器的通用接線圖。
▲圖1：通用全壓電機啟動器的接線圖。
接觸器是常開觸點，當接觸器線圈通電時閉合電路。接觸器線圈通常連接到120伏控制邏輯中的控制繼電器，使電機可以根據應用情況而打開/關閉。例如，如果抽水井中的水位很高，則需要打開潛水電機將水泵送到另一位置?；蛘呷绻坏?，則需要關閉電機以防止干運行，否則會損壞電機。
過載繼電器保護電機不受過載或失速而導致過熱的影響。過載繼電器(無論是熱繼電器還是電繼電器)將監測流經電路的熱量或電流。如果熱量或電流在一定時間內高于極限，過載繼電器將跳閘，這將觸發輔助觸點，從而切斷接觸器線圈的電源并使電機斷電。
圖1所示的電機電路保護器是一種過流保護裝置(OCPD)，可為電機電路提供保護。該OCPD可以是斷路器或保險絲。當電機啟動器直接連接到電源，這意味著在電機啟動時會瞬間施加全電壓、電流和扭矩。因此，電機會迅速加速到全速，同時也會有一個持續時間很短的高浪涌電流。電流會隨著電機的加速而減小，當電機全速運轉時，電流將達到電機的額定電流。
由于其操作簡單，全壓啟動器切換不會像變頻器那樣會引起諧波。使用全壓啟動器時，電機將持續穩定地以 0%或100%的速度運行，這對于需要進行速度控制的應用(如氣味控制鼓風機等)來說并不理想。
當關停電機時，它的電源會被立即切斷。然后電機轉速自行向下降低，這可能導致急停或快速停止。對于較大的電機，這可能會由于過熱而損壞電機繞組。
由于電機發熱、電壓下降、大電流需求以及對其它連接電氣設備的影響，不建議大型電機采用全壓啟動。這種啟動方法產生的浪涌電流最大，對于大型電機來說，可能需要超大發電機或超大的電力系統電源。然而，與其它電機啟動方法相比，全電壓電機啟動器對于小型電機來說可能是最便宜、最緊湊的選擇。
02 軟啟動器
在啟動過程中，暫時減少提供給交流電機的轉矩和電流的裝置，被稱為軟啟動器。這些裝置旨在減少電機、配電設備和任何供電發電機系統上的機械應力。軟啟動器可以是機械的，也可以是電氣設備的。用于軟啟動的常見的兩種電氣設備是RVSS和RVAT軟啟動器。
RVSS的設計旨在控制啟動電壓，通過降低電機扭矩為電機提供平穩、受控的啟動。對于停止，電機也可以逐漸減速，而不必硬停。圖2顯示了75馬力潛水井泵控制面板中RVSS的圖片。
▲圖2：水井潛水泵控制面板中的降壓軟啟動器。
電壓控制方法來自可控硅整流器，也稱為晶閘管，與控制器一起操作，以設置啟動轉矩和電流，并緩慢地使電機加速。一旦電機全速運轉，許多現代RVSS將使用內部旁路接觸器為電機供電。這樣做是為了減少啟動器磨損，延長其使用壽命。相對于全電壓啟動器，RVSS的一個缺點是在啟動過程中發熱增加、所需間隔量增加以及設備的初始成本增加。
RVAT則是使用自耦變壓器的次級，利用預設的輸出抽頭為電機提供降低的電壓。這些抽頭通常為50%、65%和80%。在啟動過程中，降低的電壓用于使電機旋轉，直至達到設定的時間或線路電流，然后電機繞過RVAT以100%電壓運行。在停機過程中，沒有軟停止，電機立即斷開，就像全電壓啟動器一樣。
與RVSS相比，它的缺點是設備占地面積增加、設備重量增加、變壓器產生的熱量增加以及由于輸出抽頭數量有限而對啟動速度的控制有限。鑒于所有這些缺點以及RVAT軟啟動器的成本大致相同的事實，RVSS通常是首選解決方案也就不足為奇了。與RVSS相比，RVAT的唯一優勢在于其設計簡單而穩固，需要的零件數量有限。
03 變頻器
變頻器不僅可用于緩慢啟動和停止電機，還可用于控制交流電機的速度。變頻器的工作方式是將輸入交流電轉換為直流電，使用電感電容濾波器平滑直流電，最后使用由絕緣柵雙極晶體管(IGBT)組成的逆變器，通過脈寬調制將直流電轉換為模擬正弦波。
功率轉換的確切方法將取決于變頻器是使用脈沖整流器(如6、12或18脈沖)，還是使用有源前端驅動裝置。6脈沖接線圖見圖3，有源前端接線圖見圖4。
▲圖3：通用6脈沖變頻驅動電路接線圖。
▲圖4：通用有源前端變頻驅動電路接線圖。
每種類型都有其優點和缺點，尤其是在處理與變頻器相關的缺點時。這些缺點包括諧波、反射波、發熱和初始成本增加。
諧波是變頻器線路側的一個問題，由整流器和逆變器導致，具有各種負面影響，如導致電容器組故障、燒壞電機繞組、斷路器跳閘和變壓器過熱。一些變頻器會產生更多諧波，例如，6脈沖變頻器產生的諧波要多于18脈沖變頻器，而18脈沖變頻器比有源前端變頻器產生更多諧波。
一般來說，6脈沖變頻器的價格是更便宜的，18脈沖和有源前端變頻器的成本大致相同。請注意，即使選擇了6脈沖變頻器也有減少諧波的方法，如在線電抗器或外部諧波校正單元。
由于IGBT的快速切換會引起變頻器負載側的反射波，反射波會產生過電壓，損壞電纜絕緣、電機繞組和電機絕緣。出于這個原因，考慮逆變器負載電機非常重要，它是為了處理更大的電壓差。另一種解決方案是安裝負載電抗器、dv/dt濾波器或正弦波濾波器，或者將變頻器安裝在靠近電機的位置，因為隨著距離的增加反射波會加大。
產生的熱量來自變頻器(將交流電轉換為直流電)的許多部件，以及IGBT切換以產生模擬正弦波。雖然可以降低開關頻率以減少熱量產生，但這并不總是可行的，因為它會增加變頻器的諧波和電機的噪音。
防止過熱的最佳方法，是使用散熱器和風扇通過變頻器外殼中的通風口散熱。理想情況下，變頻器安裝在環境控制的電氣建筑或房間內，但許多供應商確實提供帶空調裝置、安裝在室外的變頻器。安裝在電機控制中心的變頻器如圖5所示。
▲圖5：安裝在水再生設施電機控制中心的6脈沖變頻器。
此外，成本增加也是一個主要缺點，變頻器的成本往往高于RVAT或RVSS方案。然而，在帶來增加的初始成本和其它缺點的同時，變頻器確實也會帶來很多的好處和性能提升，例如改善功率因數、實現速度控制并降低能耗。
功率因數的改善，是由變頻器內的直流母線電容器引起的。直流母線電容器為電機提供無功電流，這是感應轉子磁場所必需的。這意味著來自公用事業的輸入電源電流，只需要有功功率。這就可以幫助避免公用事業的功率因數損失，減少配電網絡上的電流，并降低電力公司的費用。
速度控制是一種通過改變變頻器的輸出電壓和電流來控制電機速度的能力，以達到所需的扭矩和理想的速度。這可以使用基于所需應用的開環控制方法或閉環控制方法來實現。在開環系統中，變頻器經過調諧以確保精確的速度控制，而閉環系統則監測電機的電壓和電流，以讀取電機速度并進行相應的調整。
降低能耗是降低電機速度并因此降低電機負載的結果。能夠節省如此多的能源，其原因就是速度和功耗之間的關系。例如，電機速度降低50%，功率需求降低到原始功率需求的12.5%；75%的電機速度，可以將功率需求降低到42%；90%的電機速度，則可以將功率需求降低到73%。
在選擇電機啟動方法時，根據所需的電機應用和電機規格有多種解決方案可以選擇。對于不需要速度控制的較小電機，全壓啟動方法可能是最優的選擇。軟起動器更適用于大型電機降低浪涌電流的需求，但不提供速度控制。
變頻器是大型電機或需要速度控制或受益于速度控制的電機的絕佳選擇。然而，它們會將諧波引入電氣系統，這可能需要加以緩解。選擇適合的解決方案可以確保在任何設施中都有一個高效且具有成本效益的系統。
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