淺析交流電動機的軟啟動技術

郝淑榮

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

淺析交流電動機的軟啟動技術

郝淑榮

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110003)

對交流電動機的軟啟動技術進行詳細介紹，包括軟啟動技術的原理、類別及軟啟動器的啟動形式等。并通過對幾種軟啟動技術及傳統啟動技術的可靠性、安全性及對電網的沖擊等方面進行綜合對比，分析軟啟動技術的優缺點。并對交流電動機軟啟動技術的應用及發展趨勢進行了闡述。

軟啟動技術;交流電動機;原理;形式

1 引言

隨著國民經濟的增長和工業化程度的進展，電動機在生產中的應用也隨之增多，其中大型電動機所占比例也有所增多。交流電動機的啟動技術對電網的穩定性及安全性影響很大。如傳統的直接啟動技術，在全壓啟動的條件下產生的電流及轉矩遠遠超過了機器的額定電流和額定轉矩，不僅會對機器產生較大的損傷，同樣會造成電網電壓的不穩定。尤其是對于大型機械，傳統的電動機啟動方式已經不能滿足其要求，因此交流電動機的軟啟動技術應運而生。本文將對交流電動機軟啟動技術的原理及特性進行介紹，并對其可靠性、安全性、機械方面及對電網的沖擊方面進行綜合分析。

2 傳統啟動與軟啟動方式

2．1 傳統啟動方式

傳統啟動方式包括全壓直接啟動及降壓啟動方式，包括Y/Δ啟動、電阻減壓或電抗減壓啟動和自耦變壓啟動等。全壓直接啟動是最簡單、經濟的方法，但是其產生過大的電流易造成機器的燒毀，同時會使線路壓降增大從而造成電網電壓的顯著下降。降壓啟動方式對全壓直接啟動做了一定的改進，是以低于額定電壓的方式啟動再轉換至額定電壓下運行的方式。但是，一般是將啟動電壓降至固定值，如果設置不當或運行不當，則會產生二次沖擊等問題，降壓啟動方式不能實現電壓平滑的轉換。

2．2 軟啟動方式

針對傳統啟動的問題，交流電動機的軟啟動方式應運而生。電壓由零逐步提升至額定電壓，使電動機啟動的全過程都不存在沖擊轉矩，平滑地啟動運行，這就是軟啟動。目前軟啟動的方式有很多，包括液阻軟啟動、電抗器軟啟動、磁控制軟啟動、晶閘管軟啟動及變頻軟啟動等。軟啟動所用設備包括軟啟動器與變頻器。軟啟動器(Soft Starter)是一種集軟啟動、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。軟啟動器又可分為液阻軟啟動器、固態軟啟動器及電磁式軟啟動器等形式，最通用的是固態晶閘管式軟啟動器。而軟啟動器與變頻器的不同在于，軟啟動器用于電機啟動只是改變輸出電壓而未改變頻率，變頻器則是同時改變輸出電壓及頻率，主要用于電動機的調速。

3 軟啟動技術介紹

3．1 軟啟動的幾種啟動方式

(1)斜坡電壓啟動:如圖1所示，這種啟動方式是通過調整晶閘管的導通角使之與時間成一定函數關系增加。但是由于其不具備電流閉環控制，所以沒有限流的作用。斜坡電壓啟動是將傳統的降壓啟動從有級變為無級，但是由于其可能產生較大的電流沖擊而對電網產生沖擊，使其應用受到一定的限制，一般多用于重載的啟動。

(2)限流啟動:如圖2所示，限流啟動是預先設定一個電流值，并在不超過該設定電流值的條件下啟動。限流啟動方式在電動機啟動的開始階段電流逐漸增加，當電流達到設定值后保持恒定，直至啟動完畢正常運行。限流啟動時，若設定值較大則啟動電動機的啟動轉矩也相應增大，啟動時間則較短，但是如果設定電流值較大則容易對電網造成沖擊，因此選擇適宜的限流值是很重要的。限流啟動主要應用于輕載啟動的負載降壓啟動中。

圖1 斜坡電壓啟動

圖2 限流啟動

(3)轉矩控制啟動:如圖3所示，該啟動方式，電動機的啟動轉矩由小到大線性上升，啟動平滑柔性好，可以更好地保護拖動系統，同時可以降低電動機啟動時瞬間對電網產生的沖擊。但是轉矩控制啟動的啟動時間較長，而轉矩加突跳控制啟動則可以縮短啟動時間。轉矩控制啟動多用于重載啟動。

(4)脈沖沖擊啟動:如圖4所示，該啟動方式在開始階段，讓晶閘管在極短時間內，以較大電流導通一段時間后回落，再按照原設定值線性上升連入恒流啟動。脈沖沖擊啟動適用于重載并需克服較大的靜摩擦，因此一般情況較少使用。

圖3 轉矩控制啟動

圖4 脈沖沖擊啟動

3．2 軟啟動技術的介紹

(1)液阻軟啟動:液態電阻是一種由堿性水溶液配置的電解液形成的電阻，它導電的本質為離子導電。液阻的阻值正比于相對的兩塊電極板的距離，反比與電解液的電導率。可以利用液態電阻具有的熱容量大和負溫度特性，在通電后，阻值呈線性減小，對電動機實現平穩、無級、無沖擊的降壓軟起動。液阻軟啟動技術與其他軟啟動技術相比成本最低且不會產生高次諧波，但是其應用也有限制性。如液態軟啟動裝置的穩定性較差，一次啟動完成后電解液的溫度要降低到一定值后才可以再次啟動，因此不適用于較為頻繁的啟動。此外液阻軟啟動速度慢，需要維護，難以實現啟動的多樣化。

(2)電抗器軟啟動:可變電抗器軟啟動是利用電磁轉換原理，通過電力電子器件實現電抗器阻抗的無級連續調節，具有良好的啟動性能。該啟動方式串電抗器降壓啟動無需外加勵磁電源，不直接消耗有功功率，因此具有較好的節能效果。飽和電抗器軟啟動則是通過改變電抗器的飽和度，從而實現電阻器阻抗的平滑連續調節。相比于可變電抗器的成本要經濟，但是磁路飽和以后的漏磁較大，磁芯發熱較大。電抗器軟啟動為一級降壓軟啟動，無法實現恒流軟啟動，負載個性的適應性差，易損壞。

(3)磁控軟啟動:磁控軟啟動是從電抗器軟啟動中衍生出來的。磁控軟啟動與電抗器軟啟動的不同之處在于電抗值是可以控制的。磁控軟啟動是通過控制直流勵磁電流，改變鐵芯的飽和度來改變電抗值的。該啟動方式快速調節性較好，閉環控制，結構簡單，性能可靠，過載能力強，無二次沖擊電流。但它在啟動時仍存在一次沖擊電流，一般不能頻繁啟動，且磁控軟啟動裝置需要有相對功率較大的輔助電源，整機較重，體積較大。

(4)晶閘管軟啟動:如圖5所示，晶閘管軟啟動是應用晶閘管相控調壓的原理，利用晶閘管的可控導通特性，通過改變相控角α來改變加在定子上的電壓均方根值，屬于移相調壓軟啟動技術。相對于液態軟啟動裝置而言，通常稱其為固態軟啟動裝置。晶閘管軟啟動器是當今工程中較為常用的軟啟動裝置。晶閘管軟啟動器具有體積小、結構緊湊、維護量小、菜單豐富、啟動重復性好等優點，雖然價格較液態軟啟動器價格高，但是其許多性能也是液阻軟啟動所難以實現的。但是晶閘管軟啟動也同樣存在價位較高、高次諧波較為嚴重等問題。

圖5 晶閘管軟啟動主電路圖

(5)變頻軟啟動:該啟動方式是通過改變電動機的頻率從而改變其啟動電壓的降壓啟動方式。變頻器作為三相感應電動機的啟動裝置，具有調速范圍寬，穩速精度高、動態響應快、運動可靠等特點，尤其在節能方面的作用更突出，還能進行多段速度自動控制。由于它的價格要貴得多，所以一般用于頻繁調速的地方。

4 軟啟動技術的優點及應用

與傳統的啟動方式相比，軟啟動具有許多優勢，主要體現在以下幾點:①延長機器的使用壽命:軟啟動的平滑連續啟動方式，避免了對設備產生的沖擊，因此可以延長其使用壽命;②提高加速與減速特性:可以通過選擇不同的啟動方式來優化設備的特性曲線。如可以選擇電壓斜坡或者限流啟動方式，可實現負荷特性曲線的優化配置;③提高設備運行的可靠性:使用數字化信號處理技術，避免了傳統啟動形式下過多調整模擬線路的情況;④實現功能的全面保護，如具備過載保護功能與操作故障保護等。

軟啟動技術因具有功能全面，工作穩定及性能可靠等優點，因此其廣泛應用于實際生產。根據電動機的負載和速度變化情況，軟啟動技術常用于以下設備:①負載變化較大且不允許速度變化的設備，如水泥皮帶傳送機及港口帶式輸送機等;②變負載設備，如中央空調主機、拋光機及紡織設備等;③軟啟動器與PC結合組成復合功能，如大樓消防及噴淋系統等。

5 軟啟動技術的發展展望

從短期來看軟起動器將仍然以各種形式的降壓和限流軟起動為主要形式。在電動機軟啟動的控制算法方面，可以將其與模糊控制、神經網絡控制和基于專家系統控制技術等智能型控制技術相融合。在控制方式上，可以突破電流、電壓和轉矩等傳統手段，多采用轉速、功率因數角等新型控制方法。在操作使用上引入人工智能控制技術，從而在信號處理、模式識別、故障的診斷與預報、系統識別與控制等方面實現自動化。從遠期來看，變頻器除了可以實現軟啟動器的全部功能外還有其他功能，今后變頻器的成本進一步下降后有可能取代軟啟動器而成為主流。

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Soft Starting Technology of AC M otor

HAO Shu-rong
(Liaoning Design and Research Institute ofWater and Power Survey，Shenyang 110003，China)

The paper presents the soft starting technology of AC moter，incluaing the principle，sort and starting form．Reliability and security of several the soft starting techrologies and traditional starting technologies and impact to the electric netwook are compared．Analyzesmerits and demerits of the soft starting technology．Application and development of the soft starting technology of ACmotor are explained．

soft starting technology;ACmotor;principle;form

TM 34

B

1004－289X(2013)03－0013－03

2013－05－10