交流電動機軟啟動技術(shù)的理論分析與應(yīng)用發(fā)展

劉華平唐 偉陳方亮王麗君（.徐州市水利建筑設(shè)計研究院 徐州 000 .徐州市國家南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室徐州 000）

交流電動機軟啟動技術(shù)的理論分析與應(yīng)用發(fā)展

劉華平1唐 偉2陳方亮1王麗君1
（1.徐州市水利建筑設(shè)計研究院 徐州 221000 2.徐州市國家南水北調(diào)工程建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室徐州 221000）

三相交流異步電動機是應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備，電動機通常采用直接啟動、星形/三角控制啟動和自耦變壓器啟動。對于傳統(tǒng)的星/三角和自耦變壓器啟動，雖價格便宜，但通過降低電動機的啟動電壓來降低啟動電流，啟動過程中存在分步跳躍上升的恒壓啟動。因此，啟動過程中存在二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，影響設(shè)備壽命和性能。軟啟動器作為一種新型裝置解決了這一系列問題。

交流電動機 軟啟動 變頻調(diào)速 晶閘管調(diào)壓

1 軟啟動器的概念

軟啟動器是在20世紀(jì)70年代末和80年代初投入市場，是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新型電機控制裝置。軟啟動的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路，將其接入電源和電動機定子之間。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)數(shù)時，啟動過程結(jié)束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。

原則上，籠型異步電動機在不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可適用軟啟動器。同時特別適用于各種泵類負(fù)載或風(fēng)機類負(fù)載等需要軟啟動與軟停車的場合。同樣對于變負(fù)載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應(yīng)用不帶旁路接觸器軟啟動器則具有輕載節(jié)能的效果。

2 軟啟動器與傳動啟動方式的比較

電機傳統(tǒng)的減壓啟動方式有直接全壓啟動、星/三角啟動、自耦減壓啟動、電抗器啟動等。這些啟動方式都屬于有級減壓啟動，存在明顯缺點。

全壓啟動時異步電動機有啟動電流大的缺點。一般啟動電流為額定電流的4～7倍，部分國產(chǎn)電動機的啟動電流經(jīng)過實際測量高達(dá)額定電流的8～12倍。過大的啟動電流會對電機本身和電網(wǎng)以及其他電氣設(shè)備的正常運行造成不利影響，會在電動機軸上產(chǎn)生瞬時的過大轉(zhuǎn)矩，扭曲電機軸、破換鍵槽、損壞和軸連接的其他設(shè)備，使電機發(fā)熱影響其壽命，供電線路電壓損失增大，可能使并聯(lián)于同一供電線路上的其他電氣設(shè)備的正常運行遭到破壞。

傳統(tǒng)的電動機啟動方法是用星/三角啟動和自耦降壓啟動，存在啟動電流大和二次電流沖擊，無法解決水泵的水錘現(xiàn)象。這些傳統(tǒng)啟動器價格低廉，通過降低電動機的啟動電壓來降低啟動電流，啟動方式采用分步跳躍上升的恒壓啟動，因此，啟動過程中用存在二次沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，而且接觸器故障多、電動機沖擊電流大、沖擊轉(zhuǎn)矩大、沖擊力矩大、效率低。

軟啟動與傳統(tǒng)減壓啟動方式的不同之處主要有三點：（1）無沖擊電流。軟啟動器在啟動電機時，通過逐漸增大晶閘管導(dǎo)通角，使電機啟動電流從零線性上升至設(shè)定值。（2）恒流啟動。軟啟動器可以引入電流閉環(huán)控制，使電機在啟動過程中保持恒流，確保電機平穩(wěn)啟動。（3）根據(jù)負(fù)載情況及電網(wǎng)繼電保護(hù)特性選擇，可自由地?zé)o級調(diào)整至最佳的啟動電流。

比較異步電機的各種啟動方式，如圖1所示。

由圖1可以看出：當(dāng)電機全壓啟動時，對電網(wǎng)的沖擊最大，沖擊時間也最長；而通常使用的降壓啟動也就是硬啟動，對電網(wǎng)的沖擊雖比較小，但是由于涉及到線圈電壓切換過程，所以出現(xiàn)二次沖擊的不利環(huán)節(jié)；軟啟動由于在啟動前設(shè)定了一個不對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的啟動電流，電流緩慢增大至設(shè)定電流，故無沖擊電流，對電流的影響最小，并且能消除啟動力矩的沖擊。

3 幾種軟啟動方式

當(dāng)電機在啟動時，由電子電路控制晶閘管的導(dǎo)通角使得電機的端電壓以設(shè)定的速度逐漸升高，一直升到全電壓，使電機實現(xiàn)無沖擊啟動到控制電動機軟啟動的過程。當(dāng)電動機啟動完成并達(dá)到額定電壓時，使三相旁路接觸器閉合，電動機直接投入電網(wǎng)運行。如果是輕載，則在正常運行時，也保持所需的較低端電壓，使電機的功率因素升高，效率增大。在電機停機時，也通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電機端電壓慢慢降低至0，從而實現(xiàn)軟停機。

圖1 異步電機的各種啟動方式圖

圖2 不限流軟啟動圖

圖3 階躍恒流軟啟動

圖4 小斜率軟啟動圖

圖5 恒流軟啟動

3.1 軟啟動的特性

啟動電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，對電網(wǎng)無沖擊；啟動過程中引入電流負(fù)反饋，啟動電流上升至設(shè)定值后，使電機啟動平穩(wěn)；不受電網(wǎng)電壓波動的影響，由于軟啟動以電流為設(shè)定值，電網(wǎng)電壓上下波動時，通過增減晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電機的端電壓，仍可維持啟動電流恒值，保證電機正常啟動；針對不同負(fù)載對電機的要求，可以無級調(diào)整啟動電流設(shè)定值，改變電機啟動時間，實現(xiàn)最佳啟動時間控制。3.2軟啟動的類型

3.2.1 不限流軟啟動（如圖2）

這種啟動方式最簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時間成一定函數(shù)關(guān)系增加。在電機啟動時，啟動電流以某一定值的斜率不斷上升，直至啟動完畢，期間對啟動電流不加任何調(diào)整和限制。不限流軟啟動方式因為沒有對啟動電流進(jìn)行限制，有時要產(chǎn)生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網(wǎng)影響較大，實際很少應(yīng)用，適應(yīng)重載啟動場合。

3.2.2 階躍恒流軟啟動（如圖3）

階躍恒流軟啟動一開始在極短的時間里，使晶閘管接近于全導(dǎo)通，然后恢復(fù)至較小導(dǎo)通角，進(jìn)行正常的恒流軟啟動。啟動時靜摩擦力矩較大的場合比較適用。

脈沖沖擊啟動：在啟動開始階段，讓晶閘管在極短時間內(nèi)，以較大電流導(dǎo)通一段時間后回路，再按原設(shè)定值線性上升，連入恒流啟動。該啟動方式在一般負(fù)載中較少應(yīng)用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動場合。

通過調(diào)節(jié)啟動電流設(shè)定值，可以達(dá)到快速啟動效果。3.2.3小斜率軟啟動（如圖4）。

這種啟動的特點是電流上升速率緩慢，變化率小。適用于對電機轉(zhuǎn)矩、速度變化敏感的場合，如小張力繞線機構(gòu)。

3.2.4 恒流軟啟動（如圖5）

啟動時，電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，其后維持恒定，直至啟動結(jié)束。絕大多數(shù)應(yīng)用場合適用。

這種啟動方式在電動機啟動的初始階段啟動電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定，直至啟動完畢。啟動過程中，電流上升變化的速度可以根據(jù)電動機負(fù)載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短。該啟動方式是應(yīng)用最多的啟動方式，尤其適用于風(fēng)機、泵類負(fù)載啟動。

4 軟啟動的發(fā)展

現(xiàn)代軟啟動器主要有變頻調(diào)速及晶閘管調(diào)壓啟動器兩種軟啟動器方式。采用變頻器控制的電動機具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能，在低速時也可以任意調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)矩，啟動轉(zhuǎn)矩高達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的150%，它可以恒轉(zhuǎn)矩啟動電動機，啟動電流可限制在額定電流的150%以內(nèi)，可以實現(xiàn)自由停車、軟停車、泵停機、直流制動，滿足有特殊要求的電動機控制，是未來發(fā)展的方向