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摘要：冷却塔是电力、化工、冶金、纺织、电子等现代化工矿企业和各类民用建筑，实现设备冷却、空调制冷中冷却水循环使用的理想产品。风机驱动电机为鼠笼式三相异步电动机，结构简单、运行可靠是目前市场上的主流电机。但异步电机在零转速直接启动时，由于没有反电势，会产生相当于额定电流4～8倍的冲击电流，可能导致设备受损等情况。
为了改善电机的启动特性，消除启动时对设备的影响，将电机由Y/∆启动方式改为软启动器启动。大大提高冷却塔风机的运行可靠性。本文重点介绍电机改造的技术分析。
1绪论
广州某能源站占地面积11万平方米，是广州重要城市配套建设项目，能源站建设2×78MW燃气-蒸汽联合循环机组,引进美国普惠FT8-3轻型燃机两套，配备两套双压无补燃余热锅炉、一台15MW和一台21MW中温、中压汽轮发电机组。
能源站循环水系统配备三台冷却塔风机（型号：YD355LI-8/4W，容量：60/160KW，额定电流：133/277A，转速：745/1485r/min）于2009年投入运行。图1-1是能源站冷却塔示意图。
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风机电机直接启动时，由于没有反电势，会产生相当于额定电流4～8倍的冲击电流，可能影响系统中的其它用电设备的正常工作，大电流还会在线路及电机内部引起发热，甚至引发短路烧毁电机。此外，直接启动时的冲击转矩也将近是电机额定转矩的2倍，会对传动设备和其负载造成机械冲击和磨损。实际运行中，启动时的冲击电流明显，电流短时达到一千多安。频繁启停造成风机齿轮磨损严重，影响风机的正常使用，维修成本大大增加。
能源站对冷却塔的启动方式进行了改造，由原始的Y/∆启动方式改为软启动器启动。软启动器选用施耐德公司的ATS48型软启动器，其具有机械和电机保护功能的软起动和减速功能，同时还具备与控制系统通讯的功能。
2交流异步电动机
根据电磁感应定律，当导体之间有相对运动的时，导体中会产生感应电动势。转子在旋转的磁场中产生感应电流，而电流流过的转子在磁场中会受到电磁力的作用，从而使转子旋转起来，这就异步电机的工作原理。
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为了进一步研究电机的启动方式，需要分析一下异步电机启动时电流、转矩和电压的关系。因此可利用异步电动机的等效电路图2-1进行分析。
由等效电路图,可以得到电机启动电流：
由上式可以得出结论：
当T=TZ、T＞TZ和T＜TZ时，电力拖动系统分别处于稳定运转状态、加速状态和减速状态。
由Tst和I1的表达式可知三相电动机的启动转矩与定子的平方成正比，且启动电流与定子电压成正比。三相异步电机启动时的启动电流比较大，而启动转矩并不大。
3电动机的启动方式与启动原理
三相异步电动机的启动方式有直接启动、降压启动与软启动三种。
直接启动就是通常所说的全压启动，是电机启动中最简单的启动方式。启动时通过一些直接启动设备把全部电源电压（即全压）直接加到电动机定子上，这时启动电流明显较大，一般可以达到额定电流的4～7倍，有些国产电机启动电流甚至可能达到8～12倍。
降压启动，通过Tst和I1的表达式我们知道电机启动时必须采取措施来降低其启动电流，常用的方法是降低启动电压。传统的降压启动方法有电阻减压或电抗减压启动、自耦减压启动、Y/∆启动等方法。
Y/∆启动是一种减压启动的方法,启动时将定子绕组接成星形，转速稳定时再改为三角形连接。这样启动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只有正常运行三角形连接时的 。这种启动方式是属于有级（一级降压启动）启动，其启动时的平滑性不高，且启动过程中会产生两次电流冲击，启动时间也较长。
用自动控制线路组成的软启动器可以实现笼型异步电机的无极平滑启动，这种启动方式就是软启动。软启动器可以分为磁控式与电子式两种。
带电流闭环的电子控制软启动器可以限制启动时的电流并保持恒定，直到转速升高后电流自动衰减，启动时间也相对缩短。主电路采用晶闸管交流调压器，可连续改变输出电压，保证恒流启动；稳定运行时用接触器使晶闸管旁路，避免晶闸管长期工作，增强可靠性。
这种启动方式可以根据启动时电机所带负载大小，调整启动电流以获得最佳的启动效果。负载略重或静摩擦转矩较大时，可以在启动时突加短时脉冲电流缩短启动时间。软启动器也可以用来电机制动，实现软停车。
4软启动器的启动方式
通过对电动机不同参量的控制与调整，可实现电动机在不同使用场合的要求。通常启动方式有：
1）斜坡电压启动方式（图4-1）是使用软启动器启动电机时调整定子电压由小到大斜坡线性上升。晶闸管的输出电压线性升高（降低），电压平滑变化。
此方式将有效的减少电动机的冲击电流，而电机的转矩也将随电压得线性升高（降低）而快速增大（减小）。
2）限流或恒流启动方式（图4-2）是使用软启动器实现电动机启动时限制启动电流或保持恒定的启动电流。该限值一般为电动机额定电流的2～4倍。启动时软启动器的输出电流随启动电压的增加而升高，当达到限值时启动器PI控制程序调入，控制输出电压、电流，直到电动机的电流随电机转速的上升而下降时，再调整晶闸管的触发角至电机启动完成。
此方式的优点是启动电流可以按照需要调整，降低对系统的冲击，适用于风机、泵等必须限制启动电流而对启动时间要求不高得大惯性负载。
3）转矩控制启动方式是利用PI调节，控制电动机启动时转矩由小到大上升。其中PID控制器中的两个变量：程序设定的理想转矩是通过实验测试得出；实时转矩是通过计算电路输入的电压电流动态值得到的。再通过软启动器主控芯片的控制算法程序，得出控制晶闸管导通的触发角来进行控制。
转矩控制的优点是启动平滑性、柔性好，且在电机启动与停止的过程中减少对整个系统的冲击。
4启动方式改造
改造前#1、#2、#3冷却塔风机均采用Y/∆接线。启动过程中接触器闭合与断开时会流过很大电流造成触头损坏且启动时的冲击电流很大。因此能源站对#1、#2冷却塔进行了软启动改造，通过对晶闸管SCR的门极触发电路的控制，来控制电机启动。在整个启动过程中使启动电流更加平滑且加以限制，减少冲击。
冷却塔风机在改造前启动与高速/低速切换时会产生很大的冲击电流，图4-3是未改造的#3冷却塔风机启动时的电流变化图以及图4-4是改造后的#2号冷塔风机启动时的电流变化图。由图我们可以看出冷却塔风机改造后启动时冲击电流明显下降且更加平滑。并且在改造过程中，检修人员将风机轴承润滑油泵与启动器连接在一起，实现了冷却塔风机与油泵的连启连停，增加运行可靠性。
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5结论
三相异步电动机因价格便宜、便于维护保养等优点，成为主流工作电动机。然而其全压启动时产生较大的冲击电流和冲击转矩，对拖带的负载设备和电源系统产生一定影响。传统降压启动的解决方式虽然能够对上述问题有所改善，却并不能有效解决。基于电子技术的软启动器，可以使电动机电压和电流随着负载的需求而变化，进而控制电机输出转矩。这样就可以使电动机实现平滑启动与停止，将机械和电应力降至最低。有效解决了能源站冷却塔风机的损耗问题。因此能源站还将对未改造的#3冷塔风机择机进行软启动改造。
参考文献
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[2]汤蕴璆，史乃.电机学[M].2版.北京：机械工业出版社，2005.
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