變頻器和軟啟動(dòng)器的對(duì)比研究

苻志強(qiáng)

（云南紅塔體育中心有限公司，云南 昆明 650000）

變頻器和軟啟動(dòng)器的對(duì)比研究

苻志強(qiáng)

（云南紅塔體育中心有限公司，云南 昆明 650000）

隨著我國(guó)工業(yè)化的快速發(fā)展，新興產(chǎn)業(yè)、能源政策以及節(jié)能環(huán)保體系等工程也為電動(dòng)機(jī)行業(yè)帶來了更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。電動(dòng)機(jī)中的軟啟動(dòng)器主要改變動(dòng)力矩，通過減小對(duì)電網(wǎng)沖擊來減輕電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)設(shè)備的沖擊，而變頻器則主要用于調(diào)速，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與電源頻率之間的關(guān)系，啟動(dòng)方式可以不同程度的影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。文章研究了變頻器與軟啟動(dòng)器之間的區(qū)別，并進(jìn)行了對(duì)比，以便為工業(yè)企業(yè)提供最為合理的啟動(dòng)方式。

變頻器；軟啟動(dòng)器；對(duì)比

工業(yè)生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)占據(jù)十分重要的地位，而電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式卻可以不同程度的影響其性能與使用壽命。以往電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式主要分為直接啟動(dòng)與降壓?jiǎn)?dòng)兩種，但這兩種啟動(dòng)方式也存在著很多亟待解決的問題。比如交流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中會(huì)將電壓全部加載于定子繞組上，啟動(dòng)電流甚至為額定電流的三至七倍，這種啟動(dòng)方式將會(huì)直接影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至還會(huì)出現(xiàn)電網(wǎng)跳閘現(xiàn)象。除此之外，直接啟動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致過高的啟動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩，這種沖擊力度很有可能會(huì)損壞其他機(jī)械設(shè)備。另外一種是降壓?jiǎn)?dòng)方式，為了避免電流過大，此種方式通過降低電壓?jiǎn)?dòng)電機(jī)，但這種啟動(dòng)方式會(huì)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)電機(jī)燒毀現(xiàn)象，為企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為了進(jìn)一步改善傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的弊端，我們研究并發(fā)明了軟啟動(dòng)方式。

1　軟啟動(dòng)器與變頻器簡(jiǎn)介

（1）軟啟動(dòng)器。軟啟動(dòng)器主要串聯(lián)于電源與被控電機(jī)之間，同時(shí)，微電腦可以控制其內(nèi)部的晶閘管，從而實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓作用，而后輸入電壓開始以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至給予電機(jī)全部電壓為止，這種啟動(dòng)過程便可以成為軟啟動(dòng)。在此過程中，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩始終增加，轉(zhuǎn)速也會(huì)相應(yīng)加大，直至晶閘管全部接通。利用這種啟動(dòng)方式可以確保電機(jī)在額定電壓下工作，避免了以啟動(dòng)電流過大而出現(xiàn)跳閘問題，實(shí)現(xiàn)了平滑啟動(dòng)。由此可以看出，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，軟啟動(dòng)器實(shí)質(zhì)為一個(gè)調(diào)壓器，可以保護(hù)電機(jī)不受過流損害，但軟啟動(dòng)器也存在自身一些弊端問題：首先，它無(wú)法調(diào)節(jié)電源頻率，不能實(shí)現(xiàn)零壓?jiǎn)?dòng)，也無(wú)法達(dá)到零沖擊啟動(dòng)的目的；其次，啟動(dòng)過程中不能調(diào)速；最后電機(jī)啟動(dòng)后，軟啟動(dòng)器便退出了保護(hù)系統(tǒng)，不能全程保護(hù)電機(jī)不受損害。

（2）變頻器。顧名思義，變頻器的主要功能便是改變頻率，它主要是將電壓、頻率不變的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷骸㈩l率可變的交流電。使用變頻器可以降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊力，有效控制電機(jī)啟動(dòng)速度，延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間，從而將電流逐漸放緩，最終實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，此過程中，變頻啟動(dòng)器還可以提升電機(jī)的工作效率。由此看出，變頻器主要適用于節(jié)能環(huán)保方面，通過調(diào)速改變電機(jī)的啟動(dòng)電壓與頻率，同時(shí)變頻器也具備一定的軟啟動(dòng)功能，主要利用調(diào)節(jié)頻率來控制用電設(shè)備，比如工業(yè)生產(chǎn)中使用的變頻泵等。除此之外，變頻器還可以啟動(dòng)大頻率電機(jī)，減少了因直接啟動(dòng)帶來了的超負(fù)荷卸載等問題。但這種啟動(dòng)方式也存在自身的一些弊端：首先，它的造價(jià)成本較大，價(jià)格遠(yuǎn)超出了軟啟動(dòng)器；其次，當(dāng)前幾乎所有的變頻器都是使用PWM的控制方式，運(yùn)行時(shí)極易產(chǎn)生諧波電流，造成電壓波形畸變，影響了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，甚至還會(huì)嚴(yán)重?fù)p害電子系統(tǒng)的安全運(yùn)行；最后，變頻器的跳動(dòng)比較頻繁，一旦發(fā)生過載顯現(xiàn)便會(huì)跳動(dòng)。過載能力較強(qiáng)的馬達(dá)，只要設(shè)置合理的變頻器參數(shù)便不會(huì)經(jīng)常發(fā)生過載現(xiàn)象，但變頻器本身過載能力較差，因而極易出現(xiàn)過載報(bào)警現(xiàn)象。

2　軟啟動(dòng)器與變頻器的啟動(dòng)特性

（1）軟啟動(dòng)器啟動(dòng)特性。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中使用的軟啟動(dòng)器主要采用的是三相的交流調(diào)壓電路，電源通過三相交流電為電機(jī)供電。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，三相交流調(diào)壓電路中的輸出電壓開始改變，隨之電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩等物理量也開始發(fā)生改變，而后進(jìn)入啟動(dòng)過程。此后，隨著輸出電壓的逐漸增加，電機(jī)的運(yùn)行速度也在逐漸加快，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到固定值時(shí)，整個(gè)啟動(dòng)過程便結(jié)束。整個(gè)啟動(dòng)過程中控制交流調(diào)壓電路晶閘管的方式主要有兩種：一種是將晶閘管看作開關(guān)，在每一次電壓周期中，在固定時(shí)刻連通電路與電源，改變時(shí)刻便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，這種控制方式也被稱為相位控制；另一種則是連接電源與負(fù)載電路形成周波，再斷開一定周波數(shù)，而后通過改變接通與切斷時(shí)間進(jìn)行調(diào)壓，即通過控制周波進(jìn)行調(diào)壓，因此這種控制方式也被稱為通斷控制。

實(shí)際啟動(dòng)過程中，軟啟動(dòng)器主要存在三種啟動(dòng)方式：首先是限流啟動(dòng)，即限制電機(jī)的啟動(dòng)電流，這種啟動(dòng)方式主要適用于輕載啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)過程中可以直觀的看到啟動(dòng)電流，但這種方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)壓降，不能充分充分壓降空間，從而可能會(huì)損壞電機(jī)；其次是斜坡電壓?jiǎn)?dòng)，這種啟動(dòng)方式主要適用于重載啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)時(shí)電壓會(huì)由小至大逐漸上升，將傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)由有級(jí)變?yōu)闊o(wú)級(jí)。同時(shí)，這種啟動(dòng)方法柔性較好且啟動(dòng)平滑，因而可以更好的保護(hù)拖動(dòng)該系統(tǒng)，進(jìn)而延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命，但它明顯的缺點(diǎn)卻是電流過大；最后是轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)，這種啟動(dòng)方式主要適用于慣量較大設(shè)備，主要是在電壓斜坡控制的基礎(chǔ)上加上一個(gè)電壓突跳，比如風(fēng)機(jī)負(fù)載等啟動(dòng)困難的設(shè)備等。啟動(dòng)過程中，突跳轉(zhuǎn)矩會(huì)克服電機(jī)阻力矩，而后轉(zhuǎn)矩會(huì)拋物線上升，進(jìn)而縮短了啟動(dòng)時(shí)間。但突然起跳會(huì)為電網(wǎng)帶去較大電流，進(jìn)而會(huì)過度沖擊電網(wǎng)。

（2）變頻器啟動(dòng)特性。變頻器啟動(dòng)主要以電壓頻率比例平滑上升為基本原則，啟動(dòng)過程中并無(wú)較大的轉(zhuǎn)差功率，可以確保電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，從而減輕了啟動(dòng)中的沖擊壓力，避免了啟動(dòng)消耗。變頻器啟動(dòng)是一種綜合技術(shù)，它主要建立于電子、自動(dòng)化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)之上，但由直流電動(dòng)阻力影響，電動(dòng)機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，比較特例的是異步電機(jī)，它不受上述因素的干擾，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。除此之外，變頻器還可以自由控制調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換。啟動(dòng)時(shí)，只需要改變變頻器內(nèi)部的開關(guān)順序，不必?fù)?dān)心因轉(zhuǎn)換不當(dāng)發(fā)生電機(jī)燒毀問題。因此變頻器啟動(dòng)尅可以自由的進(jìn)行啟、停轉(zhuǎn)換，可以適用各種環(huán)境。

3　軟啟動(dòng)器和變頻器的區(qū)別

全啟動(dòng)器與變頻器主要存在七方面的區(qū)別：①啟動(dòng)原理不同，軟啟動(dòng)器主要利用固態(tài)繼電器，通過過零觸發(fā)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速，而變頻啟動(dòng)器則是利用變頻調(diào)速，工作中可以對(duì)電機(jī)任意進(jìn)行正轉(zhuǎn)調(diào)速、反轉(zhuǎn)調(diào)速以及變頻運(yùn)行等操作；②軟啟動(dòng)器主要通過降壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)會(huì)影響力矩，且存在一定的沖擊電流，而變頻器則是通過改變頻率進(jìn)行啟動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)帶載啟動(dòng)，不會(huì)發(fā)生沖擊電流；③軟啟動(dòng)主要利用降壓?jiǎn)?dòng)，利用了啟動(dòng)力矩，但其將壓值可以平滑穩(wěn)定調(diào)節(jié)，而變頻器則是同時(shí)改變電壓與頻率，且在不降低轉(zhuǎn)矩的基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；④變頻器既可以調(diào)速，也具備節(jié)能功能，但軟啟動(dòng)器明顯并不具備此種優(yōu)勢(shì)；⑤變頻器價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軟啟動(dòng)器，這是由于變頻器需要通過調(diào)速才可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以節(jié)省20%至60%的電率，節(jié)能效果較好。而軟啟動(dòng)器的技術(shù)含量較低，且性能穩(wěn)定，因而價(jià)格也要遠(yuǎn)低于變頻器，因此在不調(diào)速的情況下，多數(shù)企業(yè)還是會(huì)選用軟啟動(dòng)器；⑥帶反饋的變頻器價(jià)格更高于軟啟動(dòng)器價(jià)格，比如在特殊使用場(chǎng)合中，若負(fù)載率低于三分之一且具備反饋能量時(shí)，此時(shí)線式的軟啟動(dòng)器成本更低，是最佳的啟動(dòng)選擇。同時(shí)，存在大功率變頻時(shí)，采用先切在斷方式的變頻器實(shí)現(xiàn)成本更大，且存在不同步以及相位差等問題。而此時(shí)軟啟動(dòng)器的雙向可控硅模塊則可以更輕松的實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)，由此看出，變頻器取代軟啟動(dòng)器的基本前提便是要降低使用成本；⑦軟啟動(dòng)器可以緩解啟動(dòng)時(shí)電流過大問題，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊力量，比較適用于較大功率電機(jī)。它主要是在固定啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)完成由零電壓到全壓的加壓過程，從而啟動(dòng)電機(jī)。而變頻器則是通過改變電源輸出頻率來調(diào)整電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速，一般情況下，變頻器主要適用于變速裝備。

4　結(jié)論

傳統(tǒng)的電機(jī)啟動(dòng)方式存在很多弊端，對(duì)大型生產(chǎn)企業(yè)與電網(wǎng)復(fù)雜企業(yè)來講，傳統(tǒng)啟動(dòng)方式不僅無(wú)法適應(yīng)企業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)程，還損害了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)利益。軟啟動(dòng)方式不但可調(diào)啟動(dòng)參數(shù)，還可以解決啟動(dòng)設(shè)備沖擊電網(wǎng)問題，具備保護(hù)、節(jié)能、調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛使用。但軟啟動(dòng)也存在不能平穩(wěn)啟動(dòng)等問題，而變頻器則可以有效改善此問題，它可以通過數(shù)字化、信息化的控制體系為電動(dòng)機(jī)提供更加全面的服務(wù)，進(jìn)而多數(shù)企業(yè)利用變頻器控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)過程。

［1］劉利，王棟，楊潤(rùn)玲，周軍妮.電機(jī)軟啟動(dòng)器節(jié)能運(yùn)行功能及其應(yīng)用研究［J］.電氣傳動(dòng)，2010，（4）.

［2］苗繼軍，趙利杰，王俊偉.軟啟動(dòng)器在煤礦大采高工作面中的應(yīng)用研究（優(yōu)先出版）［J］.工礦自動(dòng)化，2013，（3）.

［3］齊智文，曲兵妮，袁觀娜，等.基于C8051F040單片機(jī)的軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)（優(yōu)先出版）［J］.工礦自動(dòng)化，2014，（9）.

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1671-3818（2016）09-0093-02