淺談軟啟動器的特點及在化工工程中的應用

李學棟

（天津渤化工程有限公司,天津300193）

化工行業的低壓配電系統中, 含有大量的感應電動機，且很多情況下都需重載啟動。多年來，大功率電機的啟動、重載啟動的問題倍受關注。傳統的電機啟動方式分為全壓啟動和降壓啟動。全壓啟動時，啟動電流大(約4～7 倍額定電流In)、功率因數低，不僅增大變壓器及電機的損耗，而且會對配電系統造成沖擊。而傳統的降壓啟動(如自耦降壓啟動或Y-△啟動)，雖可降低啟動電流(自耦降壓啟動約 1.7～4 倍 In；Y-△啟動約 1.8～2.6 倍In），但還是相對較大，功率因數較低。所以全壓啟動和降壓啟動還是屬于大電流啟動方式。

隨著軟啟動器的出現，不但電機啟動過程中過大啟動電流沖擊電網的問題得到了解決,提高了供電系統的質量，而且抑制了啟動過程中過大轉距，提高了用電設備的壽命，降低了運維費用。

1 電動機軟啟動器的工作原理

軟啟動器以單片機為CPU、以可控硅（晶閘管）為執行元件。工作中，軟啟動器采集電機功率因數角，自動判斷電機負載率，并根據控制算法輸出觸發脈沖，調整晶閘管的導通角來改變輸出電壓(圖1)，從而調節啟動電流、啟動轉矩[1]。

圖1

圖2

軟啟動器啟動可使電機在空載、輕載啟動運行時端電壓降低、啟動電流減小，如此一來不僅可以減小電機損耗、減小電網對電機的輸入功率，也可以減小大電機啟動時對電網的沖擊。

通過軟啟動器啟動電機，隨著轉速加快，晶閘管電壓逐漸變大直至整個導通，電機完成啟動。此后，晶閘管被旁路接觸器所代替，如此一來，不僅能減少對晶閘管的消耗，延長軟啟動器壽命，還能避免電網被諧波所污染。

不僅如此，軟啟動器還能在電機停車時發揮相反的作用，讓電壓逐步減小到最低，以免在停車的時候受到沖擊力的作用。

2 電動機軟啟動器的啟動方式[2～8]

2.1 限流啟動：電機在啟動過程中限制啟動電流不超過某一設定值(Is)的軟啟動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達到預先設置的電流限值Is，然后在保持輸出電流I＜Is 的條件下逐漸升高電壓到額定電壓。使電機轉速逐漸升高，直到額定轉速。此種啟動方式的優點是啟動電流小且能按需要調整，對電網影響小。缺點是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間。損失啟動力矩，對電機不利。所以在控制電機啟動時，需根據實際情況，將限流啟動和其他啟動方式配合使用。

2.2 斜坡電壓啟動：顧名詞義，啟動時電機定子端電壓逐步線性上升，即從原始的降壓啟動從有級變成了無級，隨著電壓升高，電機驅動轉矩也逐漸增大。當驅動轉矩大于阻尼轉矩和負載轉矩之和時，電機開始啟動，并最終達到穩定運行。此啟動方式只需調整晶閘管導通角，使之和時間成一定函數關系，較為簡便。

斜坡電壓啟動適用于重載啟動(圖2)，如引風機、循環水泵及一些內部物料粘稠的機泵。但也有其缺點，即初始轉矩小，轉矩特性拋物線型上升對拖動系統不利。且過長的啟動時間不僅有損于電機，晶閘管也會因巨大的重聚電流而出現破損的情況。

2.3 轉矩控制啟動：該方法是指將電動機的啟動轉矩由小到大線性上升。其優點是平滑啟動、柔韌度好，針對拖動系統有獨特的保護，能有效延長拖動系統的使用壽命，也能降低電機啟動對電網的沖擊，是目前最好的啟動方式，也是重載啟動的最優選擇。缺點是它啟動時間較長。

2.4 轉矩加突跳控制啟動：和上述方法相仿也適用于重載啟動，不同之處在于啟動的瞬間，此種啟動方式使用突跳轉矩去克服電機靜轉矩，而后轉矩逐漸上升，可縮短啟動時間。但是，突跳會向配電系統發送尖脈沖、干擾其它負荷，使用時需要注意這個問題。

2.5 電壓控制啟動：該方式適用于輕載啟動的地方，在確保啟動壓降下，讓電機以最大啟動轉矩運轉，使啟動時間大大縮短，是最優的輕載軟啟動方式。

3 電動機軟啟動器在化工項目中的應用及工作特點

在化工項目中，除工藝專業使用很多大容量機泵，如熔鹽泵、氫壓縮機、氨壓縮機、空氣壓縮機外，公用工程相關專業也不乏其數，例如循環水泵、脫鹽水泵、冷凍機等。且化工行業還有其特點，根據工藝生產流程，廠內生產裝置區占地面積大、用電設備多且布置集中，而儲運區域尤其是各類罐區，用電負荷又很分散。并且根據工藝要求，很多時候變配電站無法充分靠近負荷中心，導致電設備配電距離遠。

大容量機泵所配電機，若直接啟動則會對所在配電系統造成沖擊，使系統母線電壓下降，影響系統內其他設備的正常運行。若采用傳統降壓啟動，雖可部分減小對配電系統的沖擊，但仍無法完全消除，且無論自耦降壓啟動或Y－△啟動，都有其各自的缺點，如Y－△啟動需在電機端采用兩種接線形式，也需兩根電纜進行配電，若配電距離很遠則經濟上比較浪費。雖可利用變頻器實現軟啟動，但較高的價格及大量晶閘管在線運行造成的諧波對電網電能質量的影響，使之難以作為電機軟啟動的主要方式，而更多的應用于生產上需要變頻控制的機泵。

化工行業所使用的機泵，一般通過現場控制按鈕或工藝自動控制系統給出干接點信號，通過硬接線形式送至控制回路，隨后由軟啟動器采集主回路參數并控制電壓、電流的升高，當電機端電壓到達額定電壓之后，旁路接觸器自動閉合，并短接可控硅回路，電機連通三相電源，最終完成啟動的所有步驟。軟啟動器主回路的接線圖見圖3 所示。

圖3

當然也可直接通過軟啟動器自帶的RS485 接口，采用 Modbus 或 Profibus 通訊協議，由工藝自動控制系統實現全面遠程控制和監測。

此外，目前的軟啟動器產品還具有很多保護功能，配合著硬件電路，軟件設計有過壓、欠壓、斷相、過載等保護程序，動作可靠程度高。且通過RS485 接口軟啟動器可與其它直啟電機的馬達保護器通訊接口相連，接入工藝自動控制系統網絡，實現全廠工藝生產的高度自動化。

在化工工程應用中，各類氣體壓縮機、冷凍機等撬裝設備的主電機不僅容量大且需頻繁啟停，此時應用軟啟動器則能明顯體現出優勢。軟啟動器不僅結構緊湊、接線簡明、發熱量低、功能強大，且通過大幅度減小沖擊和振動，可以降低設備本體所承受的機械應力，延長設備使用壽命。經過多項化工、石化行業工程實際運用的考驗，無論設備頻繁啟停，還是長時間運行等各類工況，軟啟動器都經受了考驗。

4 結語

軟啟動器有效的解決了全壓和降壓啟動過程中電流過大而帶來的各種問題。不僅可以使電動機安全平穩的啟動，還能減小對配電系統的沖擊，不僅能夠實現對電動機運行的保護，還能提高工藝生產自動化的程度，不僅能穩定配電系統的電能質量，還能延長電動機的機械使用壽命.....功能相較于之前多了許多，而各項操作又相對容易。但軟啟動器也不可一概而論，這其中限電流啟動和斜波電壓啟動，就是比較原始比較簡單的啟動方式。最適用最先進的啟動方式應是電壓控制啟動和轉矩控制啟動及轉矩加突跳控制啟動。對于頻繁啟停的設備，軟啟動器可有效降低啟動電流，減小啟動應力，延長電機使用壽命，同時減小配電容量，避免增容節約投資。