Waarom hebben wisselstroommotoren de neiging om tijdens het opstarten een te hoge stroomsterkte te leveren, en hoe kan dit effectief technisch worden onderdrukt?

Inleiding: Het belang van het probleem van de buitensporige opstartstroom

Als essentiële energiebronnen in sectoren zoals de industrie en het elektriciteitsverbruik in woningen, heeft de opstartprestatie van wisselstroommotoren een directe invloed op de levensduur van de apparatuur, de stabiliteit van het elektriciteitsnet en de energie-efficiëntie. In de praktijk is de stroom die wisselstroommotoren tijdens het opstarten leveren vaak veel hoger dan de nominale stroom. Dit verschijnsel kan niet alleen leiden tot oververhitting van de motorwikkelingen en veroudering van de isolatiematerialen, maar ook tot schommelingen in de netspanning, waardoor de normale werking van andere apparatuur in hetzelfde elektriciteitsnet wordt verstoord. Het is daarom van groot belang voor de praktijk om de oorzaken van een te hoge opstartstroom bij wisselstroommotoren te achterhalen en gerichte maatregelen te nemen om dit te voorkomen.

I. Analyse van de oorzaken van een te hoge aanloopstroom bij wisselstroommotoren

Allereerst analyseren we, uitgaande van het principe van elektromagnetische inductie en de structurele kenmerken van motoren, de belangrijkste oorzaken van een te hoge aanloopstroom. Bij asynchrone wisselstroommotoren is de rotorsnelheid nul op het moment van opstarten. Nadat de driefasige wisselstroom aan de statorwikkelingen is toegevoerd, bereikt de relatieve snijsnelheid tussen het opgewekte roterende magnetische veld en de rotorgeleiders de maximale waarde. Volgens de wet van elektromagnetische inductie wordt een zeer sterke geïnduceerde elektromotorische kracht in de rotorgeleiders opgewekt, wat op zijn beurt een enorme rotorstroom genereert. Door elektromagnetische koppeling reageert de rotorstroom op de statorwikkelingen, wat leidt tot een sterke toename van de statorstroom. De aanloopstroom kan doorgaans 5 tot 8 keer de nominale stroom bedragen. Bovendien is de arbeidsfactor van wisselstroommotoren tijdens het opstarten extreem laag, waardoor een groot deel van de stroom wordt gebruikt om het magnetische veld op te bouwen en het aandeel stroom dat voor effectief werk wordt gebruikt klein is. Dit verergert het fenomeen van de te hoge stroom verder. Bij synchrone wisselstroommotoren is er weliswaar geen sprake van slip zoals bij asynchrone motoren, maar het is noodzakelijk om de rotortraagheid te overwinnen om synchronisatie te bereiken tijdens het opstarten. Bij een directe start zal de stroom ook pieken als gevolg van onvoldoende aanloopkoppel.

II. Gevaren van een te hoge opstartstroom

De gevaren van een te hoge aanloopstroom mogen niet worden genegeerd. Enerzijds genereert een te hoge stroom een grote hoeveelheid Joule-warmte in de motorwikkelingen. Bij frequent of langdurig opstarten kan de temperatuur van de wikkelingen de toegestane limiet overschrijden, waardoor de isolatiematerialen sneller verouderen, de levensduur van de motor wordt verkort en in ernstige gevallen zelfs de wikkelingen doorbranden. Anderzijds veroorzaakt de hoge stroom tijdens het opstarten van de motor een grote spanningsval over de impedantie van de netleidingen, wat leidt tot een plotselinge daling van de netspanning. Voor spanningsgevoelige apparatuur (zoals precisie-instrumenten, CNC-draaibanken, verlichtingsapparatuur, enz.) kan dit leiden tot storingen, prestatievermindering of zelfs uitval. Tegelijkertijd vermindert het ook de kwaliteit van de stroomvoorziening en beïnvloedt het de stabiele werking van het elektriciteitsnet.

III. Technische middelen om overmatige opstartstroom te onderdrukken

Om de bovengenoemde problemen aan te pakken, worden in de techniek verschillende gangbare technische middelen gebruikt om de te hoge aanloopstroom van wisselstroommotoren te onderdrukken:

(I) Stapsgewijze opstartmethode

Het kernidee van deze methode is het verminderen van de opgewekte elektromotorische kracht tijdens het opstarten door de voedingsspanning van de statorwikkelingen te verlagen, waardoor de aanloopstroom afneemt. Gangbare step-down-startmethoden zijn onder andere de ster-driehoek (Y-Δ) step-down-start, de autotransformator step-down-start en de serieweerstand/reactantie step-down-start. De ster-driehoek step-down-start is geschikt voor asynchrone motoren die normaal gesproken in een driehoekschakeling werken. Tijdens het opstarten worden de statorwikkelingen in een stervorm geschakeld, waardoor de spanning van elke fasewikkeling wordt verlaagd tot 1/√3 van de nominale spanning. De aanloopstroom wordt daardoor gereduceerd tot 1/3 van die bij een directe start. Deze methode heeft een eenvoudige structuur en lage kosten en wordt veel gebruikt in kleine en middelgrote asynchrone motoren. Bij de autotransformator step-down-start wordt de uitgangsspanning aangepast via de aftakkingen van de autotransformator, waardoor verschillende step-down-verhoudingen kunnen worden gekozen afhankelijk van de opstartvereisten. Deze methode heeft een breder toepassingsgebied, maar de apparatuur is groot en relatief duur. Bij het opstarten met een serieweerstand/reactantie wordt de statorstroom verlaagd door een weerstand of smoorspoel in het statorcircuit aan te sluiten die een deel van de spanning afvoert. Het opstarten met weerstanden gaat echter gepaard met een groot energieverlies en wordt daarom vooral gebruikt in situaties met lage opstartvereisten.

(II) Opstartmethode met softstarter

Een softstarter is een nieuw type startapparatuur gebaseerd op vermogenselektronica. Het regelt de voedingsspanning van de statorwikkelingen geleidelijk via interne vermogenselektronica, zoals thyristoren. Hierdoor kan het motortoerental geleidelijk oplopen van 0 naar het nominale toerental, wat zorgt voor een soepele start. De softstarter kan de startstroom nauwkeurig regelen binnen 1,5 tot 2,5 keer de nominale stroom, waardoor abrupte spanningsstijgingen en -dalingen worden voorkomen. Daarnaast biedt de softstarter de voordelen van een regelbaar startkoppel en uitgebreide beveiligingsfuncties (zoals overstroombeveiliging, oververhittingsbeveiliging, fase-uitvalbeveiliging, enz.). Het is geschikt voor toepassingen met hoge eisen aan een soepele start, zoals waterpompen, ventilatoren, transportbanden en andere apparatuur. Vergeleken met traditionele step-down startmethoden zijn softstarters intelligenter en kunnen ze automatisch worden aangestuurd, maar de kosten zijn relatief hoger.

(III) Opstartmethode met variabele frequentie

Bij variabele frequentie-opstart wordt een frequentieomvormer gebruikt om wisselstroom met industriële frequentie om te zetten in wisselstroom met een instelbare frequentie en spanning voor de motor. Tijdens het opstarten levert de omvormer een extreem lage frequentie en spanning, waardoor de rotor van de motor langzaam kan accelereren. Naarmate de snelheid toeneemt, worden de uitgangsfrequentie en -spanning geleidelijk verhoogd tot de nominale waarde is bereikt. Tijdens het variabele frequentie-opstartproces wordt de aanloopstroom van de motor altijd binnen een klein bereik gehouden, waardoor de belasting van het elektriciteitsnet en de motor minimaal is. Tegelijkertijd zorgt het voor een energiezuinige werking, waardoor het momenteel de meest geavanceerde en ideale opstartmethode is. De frequentieomvormer is echter duur en vereist professionele inbedrijfstelling en onderhoud. Het is geschikt voor grote wisselstroommotoren, precisieapparatuur en toepassingen met hoge eisen aan energiebesparing en opstartprestaties, zoals grote compressoren, liften, CNC-bewerkingsmachines, enz.

IV. Samenvatting en vooruitzichten

Samenvattend komt de overmatige aanloopstroom bij wisselstroommotoren neer op het gecombineerde effect van elektromagnetische inductie en de bedrijfskarakteristieken van de motor op het moment van opstarten. In de praktijk is het noodzakelijk om op een verstandige manier technische middelen te selecteren, zoals step-down opstarten, softstarten of variabele frequentie-opstarten, afhankelijk van factoren zoals het vermogen van de motor, de bedrijfsomgeving, de aanloopfrequentie en de netomstandigheden. Dit om de aanloopstroom te beperken, de motorapparatuur te beschermen en de werking van het elektriciteitsnet te stabiliseren. Met de voortdurende ontwikkeling van vermogenselektronica en automatische regeltechnologie zal de aanloopregeling van wisselstroommotoren zich ontwikkelen in een efficiëntere, energiezuinigere en intelligentere richting, wat een betrouwbaardere stroomvoorziening biedt voor industriële productie en het maatschappelijk welzijn.

Vorig bericht

Wat zijn de mogelijke oorzaken van abnormale geluiden wanneer de ventilatormotor draait, en hoe kunnen deze gericht worden opgelost?

Volgend bericht

Welke operationele details beïnvloeden de zuiveringsefficiëntie bij dagelijks gebruik, en hoe gebruik je luchtreinigers correct om hun zuiverende werking te maximaliseren?