電動機新型軟起動設備分析

長沙理工大學電氣與信息工程學院 葉建興

引言

異步電動機因結構簡單、性能穩(wěn)定、性價比高等優(yōu)點，在工礦業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、航運交通等各種需要電力傳動的行業(yè)中得到了廣泛的使用。特別是隨著現代控制技術和電力電子技術的快速發(fā)展，交流異步電動機的調速問題得到了很好的解決，交流電機調速性能已能夠與直流電機調速比肩，異步電機的使用范圍更加廣泛。隨著科技的發(fā)展和居民生活品質的提高，對電機的控制性能要求也越來越高，衍生出了很多新的研究熱點問題。其中，電動機的起動控制就是被關注的熱點之一。其發(fā)展經歷了直接起動、傳統(tǒng)的降壓起動和新型軟起動三個階段，起動性能也越來越完善。新型的軟起動方法包括液阻軟起動、磁控軟起動、晶閘管軟起動和變頻軟起動，現在已基本上取代了傳統(tǒng)的減壓起動。與傳統(tǒng)降壓起動相比，具有性能優(yōu)越，能夠實現電壓的無級調節(jié)等突出優(yōu)點。

1 液阻軟起動

液阻是一種由電解液形成的電阻，其阻值與電解液的電導率成反比，與相對的兩塊電極板的距離成正比，電極板的距離和電解液的電阻率都便于控制[1-2]。液阻軟起動設備以其阻值可以無極控制、熱容量大和成本低廉的獨特優(yōu)勢得到了廣泛的應用。液阻軟起動設備可以串接在繞線式電動機的轉子回路中實現低電流高轉矩的重載軟起動，并且對電網無諧波污染。

液阻軟起動設備也因其固有特性而具有一些缺點。首先是因阻性限流，軟起動后電解液會有10℃到20℃的溫升，所以液阻箱容積一般比較大，起動器不能頻繁起動。其次是極板的移動在伺服機構控制下比較速度慢，難以實現起動方式的多樣化。液阻軟起動不能頻繁起動，而且必須定期進行維護，比較麻煩。最后，其不適合在易結冰或者有顛簸的場合使用。

液阻軟起動最早起源于國外，后來發(fā)展到國內，得到了廣泛的應用推廣，國內比較有名的生產廠家有湖北襄樊的追日公司、雷諾爾公司、沈陽前特蘭公司等。

2 磁控軟起動

磁控軟起動設備的工作原理是根據鐵磁材料的交流有效磁導率隨直流磁場變化而變化的規(guī)律，通過控制交流繞組的電抗值的變化來實現電壓的調節(jié)。磁控軟起動主要是通過控制直流勵磁電流、改變鐵芯的飽和度來實現限流作用，所以稱為磁控軟起動[3]。在剛起動時限流作用很強，隨著電機轉速的上升，限流作用逐漸減弱，起動完成后電抗器被旁路。磁控軟起動的限流作用是靜止的、無接觸的、非機械式的，在工作原理上與晶閘管軟起動完全相同，甚至有說法說晶閘管軟起動器所具有的功能磁控軟起動幾乎全部具有。

磁控軟起動器因為鐵磁材料有飽和，具有非線性特性，所以會引起高次諧波污染，不過諧波含量要比以晶閘管為主器件的交流調壓電路要小一些。其不足之處是需要功率比較大的輔助電源，而且在工作時噪聲大。

3 晶閘管軟起動

隨著電力電子技術的發(fā)展和國內工業(yè)的快速，20世紀代80年代初，晶閘管軟起動器作為一種介于傳統(tǒng)降壓起動器和變頻器的過渡產品出現在國內市場上。應用廣泛的軟起動器因主電路采用晶閘管，也稱為可控硅軟起動器，或者固態(tài)電子式軟起動器，也將晶閘管軟起動器稱作“軟起動器”。電子式軟起動器以其無極調壓軟起動、多種停機方式可選以及齊全的電動機保護功能受到工農業(yè)等眾多重要領域的廣泛應用和重視。電子式軟起動器的出現有效地解決傳統(tǒng)電動機起動過程中大電流沖擊問題和對拖動系統(tǒng)的轉矩沖擊問題，還能夠根據電動機工作場合的不同設置最符合現在要求的起動方式，實際應用中具有很強的靈活性和適應性。也因為其特有的優(yōu)越性和應用廣泛性，電子式軟起動器的控制方式引起了電工人員、電氣工程師以及研究學者的廣泛重視。電子軟起動器主要是以單片機、DSP等微型計算機為控制核心，具有很大的可塑性，能夠與新型的電力電子器件和現代控制技術相結合，升級軟起動器的綜合性能。晶閘管軟起動器采用的是三相交流調壓電路降壓，在電動機的起動過程中，以犧牲起動轉矩來限制起動電流，所以適用于輕載或者空載起動的場合[4-5]。

晶閘管軟起動器具有體積小、結構緊湊，維護量小，功能齊全，起動重復性好以及保護功能齊全等突出優(yōu)點。其缺點是因為電力電子元器件和控制等原因，電子式軟起動器的高壓產品價格高達液阻的5～10倍以及使用時高次諧波嚴重。

軟起動器最先在國外大量應用，上世紀九十年代開始進入中國市場，近十年來得到了快速的發(fā)展，淘汰了傳統(tǒng)的降壓起動設備。它的廣泛應用促進了國內大量的電機控制相關的研究機構和企業(yè)投入軟起動器的創(chuàng)新研發(fā)和生產中，近年來，技術逐漸成熟，國產品牌市場占有率逐年升高。在國內，市場占有率比較高的國產軟起知名品牌有上海的索肯和平、長沙奧托和雷諾爾等。

4 變頻軟起動

變頻器（Variable-frequency Drive，VFD）主電路由整流、濾波和逆變三部分組成，控制回路由制動單元、驅動單元、檢測單元和微處理單元等組成，是應用變頻技術與微電子技術，通過控制整流器和逆變器導通情況來得到電壓和頻率都按照一定規(guī)律變化的電力控制設備。與電子式軟起動器一樣，變頻器也具有完整的過流、過壓、過載保護等電動機保護功能。低壓通用變頻器的控制方式從最初的正弦脈寬調制(SPWM)控制方式到電壓空間矢量(SVPWM)控制方式[6]，當前還出現了矢量控制(VC)方式和直接轉矩控制(DTC)方式等性能優(yōu)越的控制方式，目前，矩陣式交—交控制方式也得到了眾多學者的研究和關注。隨著電力電子技術和電子元器件的發(fā)展，低壓變頻器的價格也逐漸降低，在越來越多的場合得到了應用，且效果良好。變頻器在電機控制中一般應用于需要調速或者需要重載起動的場合。

在歐美和日本等工業(yè)起步較早的國家，因變頻控制技術先進、電力電子元器件等產品成熟，變頻器的價格相對不高，所以廣泛采用變頻器進行起動控制。變頻器起動電動機時具有起動電流小、轉矩大、保護靈敏性高和性能可靠等優(yōu)點，可同時用于電動機的調速控制。在國內，高性能的變頻器由于其造價較高、維護困難，且在不需要調速的場合不能充分發(fā)揮其產品功能，因此在當前的硬件基礎和控制技術條件下，若在不需要調速的場合當起動設備推廣應用將導致很低的性價比。

5 結語

新型軟起動設備中，以晶閘管軟起動和變頻調速設備最具發(fā)展前景。短期內，晶閘管軟起動器在各個行業(yè)還是主流的起動設備，而且也有眾多的電工人員、電氣工程師以及科研學者對軟起動器進行了很多創(chuàng)新研究。這些研究集中在高度集成化、智能化、成本低廉化、功能完善等方面，這些也是軟起動器的未來發(fā)展趨勢。從長遠來看，變頻軟起動設備具有控制精度高、性能優(yōu)越、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，隨著其控制技術的成熟以及電力電子器件成本的下降，變頻器與軟起動器之間的價格差會逐步減小，將來很很有可能取代軟起動器的市場。

[1]李志剛.大功率異步電動機的軟起動[J].電源技術應用,2003,6(9):510-511.

[2]溫曉玲.水泥生產設備中電機的軟起動技術[J].山東建材,2004,25(5):30-32.

[3]姚文魁.高壓電機的軟起動[J].科技創(chuàng)新導報,2011(5):64.

[4]張臻.基于DSP的異步電動機分級變頻軟起動器的研究[D].[西安科技大學碩士學位論文].西安:西安科技大學,2013.

[5]陳金輝.基于PIC16F877的交流電動機軟起動器的研究與開發(fā)[D].[河北工業(yè)大學碩士學位論文].天津:河北工業(yè)大學,2007.

[6]孟憲坤.基于現場總線的紙機電氣傳動控制系統(tǒng)的設計[D].[陜西科技大學碩士學位論文].西安:陜西科技大學,2012.