你知道嗎，為何要用變頻器來(lái)優(yōu)化中壓電機(jī)的啟動(dòng)？
發(fā)布時(shí)間：2025-07-22 作者：Lucas Paruch
本文詳細(xì)闡述了閉路過(guò)渡同步切換技術(shù)的運(yùn)行原理及其在提高可靠性和電能質(zhì)量方面的意義。
在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)扮演著不可或缺的角色，工程師通常聚焦于設(shè)備需完成的機(jī)械功特性。目標(biāo)參數(shù)通常由負(fù)載的扭矩特性、應(yīng)用所需的精度及允許的能耗決定。當(dāng)無(wú)需精確控制轉(zhuǎn)速與扭矩時(shí)，工業(yè)電機(jī)可采用直接啟動(dòng)（即開關(guān)式啟停）方式；而變頻器（VFD）則能在需要時(shí)提供更精細(xì)的轉(zhuǎn)速與扭矩調(diào)控，同時(shí)顯著降低電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械與電氣應(yīng)力。
對(duì)于特定應(yīng)用而言，電機(jī)的運(yùn)行特性固然重要，但電機(jī)的啟動(dòng)特性同樣不容忽視。啟動(dòng)一臺(tái)中壓感應(yīng)電機(jī)的最初幾秒鐘可能會(huì)帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)。
感應(yīng)電機(jī)的原理
感應(yīng)電機(jī)由兩組導(dǎo)體線圈組成。定子線圈（固定的“電機(jī)繞組”）比較直觀，因?yàn)樗鼈兣c用戶連接并相互作用。轉(zhuǎn)子線圈（旋轉(zhuǎn)）則不太直觀。轉(zhuǎn)子是一個(gè)由導(dǎo)電棒組成的圓柱體（類似于“鼠籠”或倉(cāng)鼠輪），在定子內(nèi)旋轉(zhuǎn)（沒有外部電氣連接）。
要理解感應(yīng)電機(jī)背后的物理原理，請(qǐng)考慮圖1中所示的兩個(gè)關(guān)鍵過(guò)程：
01當(dāng)電流圍繞圓形線圈流動(dòng)時(shí)，會(huì)感應(yīng)出垂直磁場(chǎng)。
02當(dāng)磁通量通過(guò)導(dǎo)電線圈時(shí)，線圈中感應(yīng)出電流。
▲圖1：當(dāng)電流圍繞圓形線圈流動(dòng)時(shí)，會(huì)感應(yīng)出垂直磁場(chǎng)。當(dāng)磁通量通過(guò)導(dǎo)電線圈時(shí)，線圈中會(huì)感應(yīng)出電流。電流產(chǎn)生磁性。磁性產(chǎn)生電流。
電流產(chǎn)生磁性，磁性產(chǎn)生電流。當(dāng)額定電壓初始施加到定子線圈時(shí)，線圈的初始阻抗較低，導(dǎo)致電流較大（電流=電壓/阻抗）。這種相對(duì)較高的定子電流，按比例感應(yīng)出強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)通過(guò)氣隙到達(dá)轉(zhuǎn)子線圈，感應(yīng)電流在轉(zhuǎn)子線圈中閉環(huán)。正如閉環(huán)定子電流感應(yīng)出磁場(chǎng)一樣，轉(zhuǎn)子線圈中新感應(yīng)出的電流也會(huì)感應(yīng)出自己的反向磁場(chǎng)。這些磁力相互作用，會(huì)將扭矩施加到轉(zhuǎn)子軸上。隨著轉(zhuǎn)子速度的增加，反電動(dòng)勢(shì)電壓也會(huì)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(guò)來(lái)會(huì)降低定子電流，從而降低定子電流感應(yīng)出的磁場(chǎng)，進(jìn)而降低轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)減小。當(dāng)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子電流會(huì)減小，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件。
對(duì)于典型的中壓電機(jī)，在電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速前，其啟動(dòng)電流可能是穩(wěn)態(tài)額定滿載電流的5到7倍。啟動(dòng)電流在電機(jī)繞組和轉(zhuǎn)子線圈上產(chǎn)生較大的機(jī)械力和熱應(yīng)力。因此，許多大型電機(jī)的設(shè)計(jì)規(guī)定了每小時(shí)最大的啟動(dòng)次數(shù)。限制啟動(dòng)次數(shù)可以使轉(zhuǎn)子在持續(xù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行之前，恢復(fù)到可接受的溫度。需要注意的是，電機(jī)的電阻溫度檢測(cè)器（RTD）用于監(jiān)測(cè)定子線圈溫度，通常沒有直接方法來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)子線圈的溫度。
直接啟動(dòng)電流會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生壓力。在5000馬力的電機(jī)上，啟動(dòng)電流可能與電力系統(tǒng)上30 MVA的負(fù)載相當(dāng)。根據(jù)電力供應(yīng)變壓器的容量和阻抗，這種啟動(dòng)負(fù)載可能會(huì)導(dǎo)致供電電壓大幅下降，影響電力系統(tǒng)中的其他用戶，并可能引發(fā)電力公司的經(jīng)濟(jì)處罰。
降低啟動(dòng)電流以延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命
降壓?jiǎn)?dòng)器（RVS）和降壓軟啟動(dòng)器（RVSS）提供了一種減少有害電機(jī)啟動(dòng)電流的傳統(tǒng)方法。這些設(shè)備將大電阻陣列或自耦變壓器與電機(jī)串聯(lián)，或使用半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備，以降低啟動(dòng)時(shí)的可用電壓。一旦電機(jī)啟動(dòng)，降壓裝置被隔離，全幅電壓被切換到電機(jī)。
根據(jù)歐姆定律，電流與電壓成正比。使用RVS裝置將啟動(dòng)電壓降低50%，可以將相應(yīng)的電流降低約50%（見圖2）。雖然與600%的跨線啟動(dòng)電流相比，這意味著大幅降低，但300%的啟動(dòng)電流仍會(huì)對(duì)電機(jī)加熱和啟動(dòng)負(fù)荷產(chǎn)生負(fù)面影響，并會(huì)給配電系統(tǒng)施加巨大的啟動(dòng)負(fù)載。
▲圖2：使用降壓?jiǎn)?dòng)器將啟動(dòng)電壓降低50%，將使電流降低約50%。雖然與600%的跨線起動(dòng)電流相比，這意味著顯著的電流降低，但300%的起動(dòng)電流仍會(huì)對(duì)電機(jī)發(fā)熱和起動(dòng)負(fù)載產(chǎn)生負(fù)面影響，并且仍會(huì)給配電系統(tǒng)帶來(lái)巨大的起動(dòng)負(fù)載。使用降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，應(yīng)評(píng)估所需的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。如果降低的上拉轉(zhuǎn)矩?zé)o法加速負(fù)載，將導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
降壓?jiǎn)?dòng)方案還需考慮對(duì)可用啟動(dòng)扭矩的影響。隨著啟動(dòng)電壓的降低，可用的啟動(dòng)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(dòng)扭矩將降低到額定啟動(dòng)扭矩的(50%)2 = 25%。在實(shí)施降壓?jiǎn)?dòng)解決方案時(shí)，評(píng)估所需的負(fù)載扭矩至關(guān)重要。如果減小的上拉扭矩不足以加速負(fù)載，將導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)。盡管可采用機(jī)械裝置在啟動(dòng)時(shí)脫離負(fù)載，但這會(huì)增加額外成本與系統(tǒng)復(fù)雜度。
變頻器為管理電機(jī)啟動(dòng)提供了理想的解決方案。與只能降低電壓的啟動(dòng)器不同，變頻器可以調(diào)節(jié)施加的電壓和頻率，以獲得最佳的電機(jī)性能。通過(guò)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(dòng)電機(jī)，同時(shí)在整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)產(chǎn)生100%的額定扭矩。
運(yùn)行效率的提高使變頻器控制的電機(jī)，能夠比直接啟動(dòng)電機(jī)產(chǎn)生更大的啟動(dòng)扭矩，同時(shí)消除了與線啟動(dòng)電機(jī)和RVS解決方案相關(guān)的電機(jī)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和系統(tǒng)電壓降（圖3）。在很多應(yīng)用中，變頻器是在現(xiàn)有公用事業(yè)電源上啟動(dòng)大型中壓電機(jī)唯一可接受的方法。
▲圖3：變頻器可以調(diào)節(jié)施加的電壓和頻率，以實(shí)現(xiàn)最佳的電機(jī)性能。通過(guò)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(dòng)電機(jī)，同時(shí)在整個(gè)速度范圍內(nèi)產(chǎn)生100%的額定扭矩。
使用變頻器進(jìn)行中壓電機(jī)啟動(dòng)的唯一潛在缺點(diǎn)是成本。在不需要速度或扭矩控制的應(yīng)用中，用多個(gè)變頻器來(lái)操作多個(gè)中壓電機(jī)可能成本過(guò)高。對(duì)于這些應(yīng)用，同步切換（Synchronous Transfer）提供了一種使用單臺(tái)變頻器有效啟動(dòng)多臺(tái)電機(jī)的方法，一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，就可以將每個(gè)電機(jī)平穩(wěn)地切換到公用線路電源。
閉路過(guò)渡同步切換與效率提升
在中壓閉路過(guò)渡（Closed Transition）同步切換中，使用變頻器來(lái)啟動(dòng)和加速電機(jī)（如圖3中的藍(lán)線所示），一旦達(dá)到60Hz的額定電機(jī)轉(zhuǎn)速，變頻器就會(huì)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(dāng)波形匹配時(shí)，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(jīng)同步，線路和變頻器之間基本上沒有電流流動(dòng)，而兩者都為電機(jī)提供電流。在連接兩個(gè)電源的短暫（閉路過(guò)渡）的同步運(yùn)行后，變頻器輸出關(guān)閉，第二個(gè)接觸器打開，將變頻器與電路隔離，使電機(jī)只連接到公用電源。一旦與第一個(gè)電機(jī)斷開，變頻器就可以啟動(dòng)其它電機(jī)，而第一個(gè)電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行在市電線路電源上。
此過(guò)程被稱為閉路過(guò)渡，因?yàn)樽冾l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(qū)動(dòng)功率”和“市電線路功率”重疊的時(shí)期）同時(shí)連接兩者。區(qū)分封閉式過(guò)渡轉(zhuǎn)換與“開放式”轉(zhuǎn)換或“旁路”序列非常重要。在開放的“先斷后合”轉(zhuǎn)換中，變頻器將電機(jī)加速到一定速度，但隨后只是斷開連接，允許電機(jī)不受控制地旋轉(zhuǎn)，直到市電線路接觸器閉合，完成向線路的開放轉(zhuǎn)換。
▲圖4：圖中所示為一個(gè)閉路過(guò)渡，因?yàn)樽冾l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(guò)渡期間，兩者可以同時(shí)連接。
由于幅值和相位不同步且不受控制，因此在開路過(guò)渡期間關(guān)閉旁路接觸器會(huì)產(chǎn)生很大的機(jī)械瞬態(tài)扭矩，因?yàn)槭须娋€路電源試圖將電機(jī)拉到同步狀態(tài)，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的瞬態(tài)電流，可能導(dǎo)致上游過(guò)流跳閘或不可接受的電源電壓下降。
閉路過(guò)渡同步轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的方法，可通過(guò)一個(gè)變頻器平穩(wěn)啟動(dòng)多個(gè)中壓電機(jī)。與傳統(tǒng)的啟動(dòng)方法不同，變頻器保持對(duì)所連接電機(jī)的全速和扭矩控制。例如，在圖5中，應(yīng)用負(fù)載可能需要電機(jī) 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(shè)計(jì)為根據(jù)負(fù)載的要求運(yùn)行。
▲圖5：三電機(jī)同步傳輸電機(jī)啟動(dòng)應(yīng)用：輸出接觸器將變頻器連接到電機(jī)3。變頻器啟動(dòng)并加速電機(jī)3。
配備閉路過(guò)渡同步切換功能的變頻器在啟動(dòng)多臺(tái)電機(jī)時(shí)，可徹底規(guī)避傳統(tǒng)啟動(dòng)方法引發(fā)的電機(jī)熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力及系統(tǒng)電壓暫降問(wèn)題。通過(guò)加速完成后將電機(jī)切換至電網(wǎng)供電，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率得以提升（消除變頻器滿載運(yùn)行時(shí)的熱損耗）。該技術(shù)融合了變頻器啟動(dòng)優(yōu)勢(shì)與電網(wǎng)供電的高效性，實(shí)現(xiàn)"啟動(dòng)控制"與"運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性"的雙重優(yōu)化。