淺談交流異步電機軟起動技術

【摘 要】本文通過對電動機起動技術的分析以及對軟起動方式與傳統起動方式進行比較，來分析軟起動的特性，總結了應用電動機軟起動器的優勢。

【關鍵詞】異步電動機；軟起動

0.前言

隨著工業生產的發展，對電動機的起動性能提出了越來越高的要求，歸納起來有以下幾個方面：

（1）電動機能平穩提升起動轉矩。

（2）盡可能小的起動電流。

（3）起動設備盡可能簡單、經濟、可靠。

（4）起動過程中的功率消耗應盡可能的少。

根據以上相互矛盾的要求和電網的實際情況通常采用的起動方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接起動方式；另一種是降壓起動方式。

1.軟起動簡述

軟起動器是一種集軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為Soft Starter。它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯閘管及其電子控制電路。電動機轉矩近似于定子電壓平方成正比。用其起動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直至晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上。

1.1與一般降壓起動的區別

傳統的降壓起動有以下幾種方法:

（1）Y/△起動：適用于正常運行時定子繞組采用△接法的電動機。定子有六個接頭引出，接到轉換開關上，起動時采用Y接法。起動完畢后再切換成△接法。優點是起動設備簡單，起動過程中消耗能量少。缺點是有二次電流沖擊，設備故障率高，需要經常維護，不宜使用在頻繁起動的設備上。

（2）自耦變壓器降壓起動：三相自耦變壓器(也稱補償器)高壓邊接電網，低壓邊接電動機。一般有幾個分接頭，可選擇不同的電壓比，相對于不同起動轉矩的負載。在電動機起動后再將其去除。其優點是起動電壓可以選擇，以適應不同負載的要求。缺點是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率及維修費用高。

（3）對于繞線式異步電動機，可在轉子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實現起動，待起動完成后再將其去除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。

軟起動是一種完全區別于全壓和降壓起動的新的起動方式。是電子過程控制技術。

軟起動與傳統減壓起動方式的不同之處是：

（1）對電網無沖擊電流。軟起動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機起動電流從零以一定斜率上升至線性上升至設定值。

（2）恒流起動。軟起動器可以引入電流閉環控制，起動電流上升至額定值后使電機保持恒流，確保電機平穩起動。

（3）不受電網電壓波動的影響，由于軟起動以電流為設定值，電網電壓波動時，通過增減晶閘管的導通角，調節電機端電壓，仍可維持起動電力恒值，保障電機正常起動。

（4）針對不同負載對電機的要求，可以無級調整起動電力設定值，改變電機起動時間，實現最佳起動時間控制。

1.2軟起動的類型

1.2.1不限流起動

使起動電流以一定斜率上升，:至起動完畢。這種起動方式因為沒有對起動電流進行限制，所以對電網沖擊較大，易晶閘管損壞，實際很少應用。

1.2.2限流軟起動

起動過程中限制其起動電流不超過設定值的軟起動方式。主要用在輕載起動的負載的降壓起動。優點是起動電流小，且可調整，對電網影響小。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉矩，起動時間相對較長。

1.2.3電壓控制起動

在保證起動壓降的前提下使電動機獲得最大的起動轉矩。盡可能縮短起動時間。是最優的輕載軟起動方式。

1.2.4轉矩控制起動

按電動機的起動轉矩線性上升的規律控制輸出電壓。優點是起動平滑、柔性好，對拖動系統有利，同時減少對電網的沖擊，是最優的重載起動方式。缺點是起動時間較長。

2.各種起動方式對比

因異步電動機具有結構簡單，體積小，價格低廉運行可靠維修方便，效率較高及工作特性好等優點，在電力拖動平臺上廣泛使用。但是它的起動電流過大。容易產生以下危害：

2.1電網沖擊

過大的起動電流(空載起動電流可達額定電流的4～7倍。帶載起動時可達8～10倍或更大)。容易造成電網電壓下降，影響其他用電設備的正常運行。還可能產生欠壓保護動作，造成設備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發熱，從而加速絕緣老化，影響電機壽命。

2.2機械沖擊

會在電動機軸上產生瞬時過大轉矩（可達滿載轉矩的1.6-2.0倍）。往往造成電動機轉子導條、端環斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導致擊穿燒毀電動機；扭曲電機軸，破壞鍵槽，聯軸節、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。

2.3對生產機械造成沖擊

起動過程中的壓力突變往往造成泵系統管道、閥門的損傷。縮短使用壽命，影響傳動精度，甚至影響正常的過程控制。

國家有關部門明確規定，電動機起動時電網電壓降不能超過15%，對于容量較大電動機，應采取措施降低起動電流。通常電動機總是在全電壓下運行。電動機從空載到滿載磁場幾乎不變，因此磁化電流在所有負載下近似地相同。

全壓和降壓起動的大電流，致使電動機諧波磁勢增大，增大后的諧波磁勢又加劇了附加轉矩，附加轉矩是電機起動時產生震動和噪音的原因。

通過比較異步電動機的各種起動方式，全壓起動對電網沖擊最大，時間最長；而通常使用的降壓起動即硬起動，雖然可以部分減小起動電流。但由于涉及到一個線圈電壓切換過程，所以出現二次沖擊的不利環節。二次沖擊電流同樣對配電系統產生危害；軟起動因在起動前設定了一個不對電網產生影響的起動電流，電流是緩慢增大至設定電流，故無沖擊電流，對電網影響小。

歸納起來，軟起動器很好的解決了全壓和降壓起動電流過大及其派生的許多問題。

3.電動機軟起動器的節能原理

衡量電動機節電性能的重要指標為電機空載或輕載時最低運行電壓的大小，即功率因數cosΦ的大小。異步電機是感性負載，在運行中，定子線圈繞組中的電流滯后于電壓。如電機工作電壓不變，處于輕載時，功率因數低，處于重載時，功率因數高。

在生產實際當中，電動機如果在額定電壓的工作條件下輕載或空載運行，效率和功率因數均很低，造成電能大量浪費。如適當降低定子線圈電壓，則定子電流中的無功分量將會減小，從而使電動機功率因數上升。即可以達到明顯的節能效果。

軟起動器正是利用微機技術，用單片機作CPU，用可控硅作為執行元件，實時檢測電流和電壓滯后角，即功率因數Φ角，輸入給單片機，單片機根據最佳控制算法，輸出觸發脈沖，調整可控硅的導通角，即可調整可控硅的輸出電壓，使空載或輕載運行時降低電機的端電壓，減少電機的銅耗、鐵耗，從而減小電機空載或輕載時的輸入功率，也就減小了電機有功和無功損耗，提高功率因數，達到輕載節能的目的。負載重時，則提高電機端電壓，確保電機正常運行。

4.軟起動器的適用場合

（1）生產設備精密，不允許起動沖擊的場合。

（2）電動機功率較大，若直接起動，要求主變壓器容量加大的場合。

（3）對電網電壓波動要求嚴格，對壓降要求≤10%UN的供電系統。

（4）對起動轉矩要求不高，長期空載或輕載起動、只有短時或瞬間處于重載的場合。

5.結論

對于輕載異步電動機，采用軟起動器不僅減小對電網沖擊，而且有輕載節能帶來的經濟效益很可觀。此外，軟起動器還具有多種保護功能，配合硬件電路，軟件設計有過載、斷相、欠壓、過壓等保護程序，動作可靠程度高。 [科]

【參考文獻】

［１］許宏剛.軟起動器原理及應用[J].能源技術，2002.

［２］姚劍.電機軟起動技術在電機控制中的應用[J].化工設備與防腐蝕，2002.