軟起動器功能特性與應用

郭 強

(浙江工商大學 環保設計研究院， 浙江 杭州 310005)

0 引 言

智能型軟起動器利用高性能數字信號處理芯片控制三對雙向反向并聯晶閘管的導通角，逐步增加起動過程中異步電動機的端電壓，限制起動電流實現節能。

我國工業及民用中大量使用籠型異步電動機，用電量非常巨大，因而降低電動機的能耗是節能減排的重要措施。

降低電動機的能耗特別是起動、停止過程中的能耗，目前選用4類智能控制器： (1) 早期適用于功率在100kW以下異步電動機，主要利用“星-三角”(Y—△)起動，起動電流可限制在3倍額定電流以下，也采用一次回路串電阻起動和自耦變壓器起動；(2) 智能型軟起動器，其可有效控制和調節起動電流，適用于功率在1.5～800kW的異步電動機；(3) 適用頻繁調速的變頻控制器，其節能效果更好，但價格較高，一般用于電機須調速的場合；(4) 近年發展起來的控制與保護開關電器(Control and Protective Switching Device, CPS)，其適用于55kW以下的三相異步電動機，將斷路器、接觸器、電動機保護器等諸多功能結構集成于一體，使其性價比更高，但因功率較小，使其使用范圍不夠廣泛。近年來，國家對環保治理的要求和投入明顯加強，大功率水泵、風機等設備已被廣泛采用。在環保治理過程中，設備的調整、切換較頻繁，因而在這一領域推廣使用智能型軟起動設備，具有更大的經濟和社會效益。

1 軟起動器的工作原理

由于異步電動機直接起動時其電流可達額定電流的7～8倍，早期的電動機保護器采用“Y—△”和串自耦變壓器等方式降壓起動，但其起動電流無法調整，特別是在大功率電機起動時，對局部電網的影響較大。軟起動器的原理也是降壓起動，其起動和停止時的電流可控、可調，從而使電網的運行更安全。軟起動器利用可控性晶閘管，將三對反向并聯的晶閘管串接到電動機的三相供電電路上，控制晶閘管觸發極的時序，逐步增大其導通角，從而控制輸出給電動機的端電壓大小，達到減小起動電流，減小對電機和軸上機械沖擊的目的。當電動機起動結束時，DSP控制繼電器、接觸器，由接觸器的觸點短接晶閘管，使電動機在額定電流、額定電壓、額定轉速下運轉。晶閘管只在軟起動、軟停車時使用，正常運行由接觸器實現。軟起動器的原理如圖1所示。圖1中，CT1、CT2、CT3為精密電流測量互感器；PT1、PT2、PT3為2mA/2mA電壓型電流測量互感器；K1-1、K1-2、K1-3為接觸器K的三組常開觸點。

圖1 軟起動器原理圖

2 軟起動器的起動特性

軟起動器的起動控制有“電壓/電流”控制和“轉矩/速度”控制兩種類型，前者又有電壓斜坡起動、電流限幅起動、沖擊脈沖起動三種形式；后者具有更小的起動電流和能耗。

2.1 “電壓/電流”控制起動型

2.1.1 電壓斜坡起動

電壓斜坡起動適用于輕載電動機，有單速率斜坡起動、雙速率斜坡起動、單速加突跳起動三種。

單速率斜坡起動是以一個起始電壓U0(一般取額定電壓的30%～70%)和某一端電壓增加速率起動電動機。起動過程按確定的速率改變晶閘管的導通角，逐步增加到電壓零點附近，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成起動。

雙速率斜坡起動，從起始電壓U0開始以較低速率v1增大晶閘管導通角，后一階段以較高速率v2增大晶閘管導通角，實現端電壓以較高速率接近電機額定電壓，最后接通接觸器，晶閘管退出工作而完成電機起動。

單速加突跳起動是以起始電壓U0和較高速率增大晶閘管導通角，在端電壓接近電機額定電壓時，以突跳方式全導通晶閘管增加到電動機的額定電壓，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成電機起動。

這3種起動方式根據實際需要，起動電流可限在2～4倍電動機額定運行電流；起動時間可隨意調整，一般設為1～30s、1～60s、1～120s。

2.1.2 電流限幅起動

該起動方式根據負載輕重可設定最大限止電流IM為2～5倍額定運行電流，負載重時設大些，輕時設小些，控制較簡單。電機起動后，反電動勢隨轉速增加而增加，起動電流逐步減小。當采樣電流有效值IIM時，暫停改變導通角，起動電流隨轉速增加而減小。根據A/D檢測精度，該方式須設電流檢測誤差帶，在誤差帶內不控制，否則會引起振蕩。起動時間可設為： 1～30s、1～60s、1～120s。電流限幅起動也適用于輕載電動機。

2.1.3 沖擊起動

沖擊起動用于機械慣性較大的重負載，如球磨機、電纜絞線機等。該起動在0.1～1.5s時間內加一個沖擊起動電壓U，然后降到起始電壓U0，再以單速率增加到額定電壓。根據負載慣性的大小，沖擊起動的電壓可在額定電壓的(50%～100%)內調節，沖擊的脈沖寬度可在0.1～1.5s內調節。

2.2 “轉矩/速度”控制起動型

該方式是將電動機的起動轉矩從小到大線性上升，故起動平滑，主要用于重載起動。

2.3 軟起動器起動過程的波形圖

電機是一感性元件，電流滯后于電壓一個功率因數角φ。φ剛起動時較大，結束時較小，起動過程中是變化的。晶閘管觸發角α起始為 120°～150°。晶閘管導通角θ=π-α+φ。晶閘管的導通角θ、觸發角α、功率因數角φ的關系如圖2所示。

圖2 晶閘管導通θ、觸發角α、功率因數角φ的關系

二對極異步電動機在起動過程中的轉速n與功率因數角φ的關系如圖3所示。同步轉速為1500r/min，異步轉速為1450r/min。起動時，φ=58°，cosφ=0.53；異步轉速時，φ≈30°，cosφ≈0.866。可見異步電機起動過程的效率很低。因而在電機應用較多的場合，使用功率因數校正(Power Factor Correction, PFC)和動態無功功率補償裝置是非常必要的。

圖3 電機起動過程中的轉速n功率因數角φ的關系

3 軟起動器的保護功能

軟起動器具有過載長延時反時限、起動時轉子堵轉、運行時阻塞、缺相及三相電流不平衡、單相金屬性對地短路(矢量型和地電流型)、相序、起動超時、電機超溫、過壓、欠壓等多種保護。

3.1 過載長延時反時限保護

過載長延時反時限保護與電流的平方成反比，且相應于電動機6倍電流的設定動作時間。計算式為

(1)

I——電機運行過程中采樣電流有效值；

Ie——電機額定電流；

tR——6倍Ie電流下的整定時間，tR=5、10、15、20、30、40s；

T1——電機過載保護動作時間。

3.2 缺相及三相電流不平衡保護(定時限)

計算式為

=(10～60)%+OFF(退出保護)

式中：Δ——三相電流不平衡率；

Imax——三相中最大相電流；

Imin——三相中最小相電流；

保護動作時間可設1～30s。

4 軟起動器的應用

近年來，國家對于環境治理的投入逐年增加，治理標準也逐步提高，管理力度也大大增強。大中型離心風機、羅茨風機及水泵在環保治理領域已被廣泛使用。由于環保治理項目在日常的運行管理中有著自體的特殊性——需要經常調整風機與水泵的起停臺數，故在當前節能減排技術創新的要求下，減少電動機能耗，提高運行效率具有極

為重要的經濟和社會效益。軟起動器在這方面體現出來的優越性已被業內人士廣泛重視。對電動機幾種起動方式和軟起動器的一些性能加以說明，如表1所示。

表1 電動機幾種起動方式和軟起動器的性能

5 結 語

異步電動機在直接起動時，起動電流可達7～8倍額定電流，易造成電機發熱和機械損壞，也會對電網造成沖擊。早期常用“Y—△”(星形-三角形)限流起動，適用于較小的異步電動機的無載起動或低轉矩起動，在“Y—△”轉換時有沖擊電流和轉矩峰值，參數無法調整。軟起動器利用改變晶閘管的導通角逐步調節電動機的端電壓，從而調節電機的起動電流。起動和停止時的電流、時間均可控、可調，起動電流可限止在2～4倍電機額定電流，起動轉矩大，起動結束后由接觸器取代晶閘管而穩定運行，適用于1.5～800kW三相異步電動機，對電網的沖擊小。

由于軟起動器的諸多優點，其已在環保行業的大型水泵、風機及污水處理過程中得到應用，既可降低起動電流，減少對電網的沖擊，又能提高電機的使用壽命。另外，對于在工農業生產過程中需要頻繁起動的電氣設備，軟起動器具有很多優點，值得大力推廣。

【參考文獻】

[1] GB 14048.6—2008 低壓開關設備和控制設備第4-2部分： 接觸器和電動機起動器，交流半導體電動機控制器起動器(含軟起動器)[S].

[2] JB/T 10736—2007 電動機保護器[S].