你知道吗，为何要用变频器来优化中压电机的启动？

控制工程中文版
2025-07-22 08:18:34

图片来源：Yaskawa

作者 | Lucas Paruch

本文详细阐述了闭路过渡同步切换技术的运行原理及其在提高可靠性和电能质量方面的意义。

在现代工业应用中，电机扮演着不可或缺的角色，工程师通常聚焦于设备需完成的机械功特性。目标参数通常由负载的扭矩特性、应用所需的精度及允许的能耗决定。当无需精确控制转速与扭矩时，工业电机可采用直接启动（即开关式启停）方式；而变频器（VFD）则能在需要时提供更精细的转速与扭矩调控，同时显著降低电机系统的机械与电气应力。

对于特定应用而言，电机的运行特性固然重要，但电机的启动特性同样不容忽视。启动一台中压感应电机的最初几秒钟可能会带来诸多挑战。

感应电机的原理

感应电机由两组导体线圈组成。定子线圈（固定的“电机绕组”）比较直观，因为它们与用户连接并相互作用。转子线圈（旋转）则不太直观。转子是一个由导电棒组成的圆柱体（类似于“鼠笼”或仓鼠轮），在定子内旋转（没有外部电气连接）。

要理解感应电机背后的物理原理，请考虑图1中所示的两个关键过程：

当电流围绕圆形线圈流动时，会感应出垂直磁场。

当磁通量通过导电线圈时，线圈中感应出电流。

▲图1：当电流围绕圆形线圈流动时，会感应出垂直磁场。当磁通量通过导电线圈时，线圈中会感应出电流。电流产生磁性。磁性产生电流。

电流产生磁性，磁性产生电流。当额定电压初始施加到定子线圈时，线圈的初始阻抗较低，导致电流较大（电流=电压/阻抗）。这种相对较高的定子电流，按比例感应出强磁场。磁场通过气隙到达转子线圈，感应电流在转子线圈中闭环。正如闭环定子电流感应出磁场一样，转子线圈中新感应出的电流也会感应出自己的反向磁场。这些磁力相互作用，会将扭矩施加到转子轴上。随着转子速度的增加，反电动势电压也会增加。增加的反EMF抵消了施加的电压，降低了施加在定子线圈上的有效电压。

降低定子上的有效电压，反过来会降低定子电流，从而降低定子电流感应出的磁场，进而降低转子中的感应电流，导致转子磁场减小。当电机达到额定转速时，定子和转子电流会减小，直至达到稳态运行条件。

对于典型的中压电机，在电机达到额定转速前，其启动电流可能是稳态额定满载电流的5到7倍。启动电流在电机绕组和转子线圈上产生较大的机械力和热应力。因此，许多大型电机的设计规定了每小时最大的启动次数。限制启动次数可以使转子在持续稳态运行之前，恢复到可接受的温度。需要注意的是，电机的电阻温度检测器（RTD）用于监测定子线圈温度，通常没有直接方法来测量转子线圈的温度。

直接启动电流会对电源产生压力。在5000马力的电机上，启动电流可能与电力系统上30 MVA的负载相当。根据电力供应变压器的容量和阻抗，这种启动负载可能会导致供电电压大幅下降，影响电力系统中的其他用户，并可能引发电力公司的经济处罚。

降低启动电流以延长电机的使用寿命

降压启动器（RVS）和降压软启动器（RVSS）提供了一种减少有害电机启动电流的传统方法。这些设备将大电阻阵列或自耦变压器与电机串联，或使用半导体开关设备，以降低启动时的可用电压。一旦电机启动，降压装置被隔离，全幅电压被切换到电机。

根据欧姆定律，电流与电压成正比。使用RVS装置将启动电压降低50%，可以将相应的电流降低约50%（见图2）。虽然与600%的跨线启动电流相比，这意味着大幅降低，但300%的启动电流仍会对电机加热和启动负荷产生负面影响，并会给配电系统施加巨大的启动负载。

▲图2：使用降压启动器将启动电压降低50%，将使电流降低约50%。虽然与600%的跨线起动电流相比，这意味着显著的电流降低，但300%的起动电流仍会对电机发热和起动负载产生负面影响，并且仍会给配电系统带来巨大的起动负载。使用降压启动时，应评估所需的负载转矩。如果降低的上拉转矩无法加速负载，将导致电机堵转。

降压启动方案还需考虑对可用启动扭矩的影响。随着启动电压的降低，可用的启动扭矩与电压降低的平方成比例地降低。例如，电压降低50%，启动扭矩将降低到额定启动扭矩的(50%)² = 25%。在实施降压启动解决方案时，评估所需的负载扭矩至关重要。如果减小的上拉扭矩不足以加速负载，将导致电机堵转。尽管可采用机械装置在启动时脱离负载，但这会增加额外成本与系统复杂度。

变频器为管理电机启动提供了理想的解决方案。与只能降低电压的启动器不同，变频器可以调节施加的电压和频率，以获得最佳的电机性能。通过保持最佳的电压与频率比，变频器可以在100%额定电流下启动电机，同时在整个转速范围内产生100%的额定扭矩。

运行效率的提高使变频器控制的电机，能够比直接启动电机产生更大的启动扭矩，同时消除了与线启动电机和RVS解决方案相关的电机热应力、机械应力和系统电压降（图3）。在很多应用中，变频器是在现有公用事业电源上启动大型中压电机唯一可接受的方法。

▲图3：变频器可以调节施加的电压和频率，以实现最佳的电机性能。通过保持最佳的电压与频率比（V/Hz），变频器可以在100%额定电流下启动电机，同时在整个速度范围内产生100%的额定扭矩。

使用变频器进行中压电机启动的唯一潜在缺点是成本。在不需要速度或扭矩控制的应用中，用多个变频器来操作多个中压电机可能成本过高。对于这些应用，同步切换（Synchronous Transfer）提供了一种使用单台变频器有效启动多台电机的方法，一旦达到稳态运行，就可以将每个电机平稳地切换到公用线路电源。

闭路过渡同步切换与效率提升

在中压闭路过渡（Closed Transition）同步切换中，使用变频器来启动和加速电机（如图3中的蓝线所示），一旦达到60Hz的额定电机转速，变频器就会将其输出的电压和频率与市电供电的线路电源电压和频率精确同步。当波形匹配时，接触器闭合，将市电电源连接到变频器输出。由于电压和相位已经同步，线路和变频器之间基本上没有电流流动，而两者都为电机提供电流。在连接两个电源的短暂（闭路过渡）的同步运行后，变频器输出关闭，第二个接触器打开，将变频器与电路隔离，使电机只连接到公用电源。一旦与第一个电机断开，变频器就可以启动其它电机，而第一个电机继续运行在市电线路电源上。

此过程被称为闭路过渡，因为变频器将市电电源的幅值和相位与其自身的输出精确同步，以便在“先合后断”的切换期间（图4中“驱动功率”和“市电线路功率”重叠的时期）同时连接两者。区分封闭式过渡转换与“开放式”转换或“旁路”序列非常重要。在开放的“先断后合”转换中，变频器将电机加速到一定速度，但随后只是断开连接，允许电机不受控制地旋转，直到市电线路接触器闭合，完成向线路的开放转换。