交流電動機軟啟動技術的理論分析與應用發展

劉華平唐 偉陳方亮王麗君（.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 000 .徐州市國家南水北調工程建設領導小組辦公室徐州 000）

交流電動機軟啟動技術的理論分析與應用發展

劉華平1唐 偉2陳方亮1王麗君1
（1.徐州市水利建筑設計研究院 徐州 221000 2.徐州市國家南水北調工程建設領導小組辦公室徐州 221000）

三相交流異步電動機是應用最為廣泛的電氣設備，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矩，影響設備壽命和性能。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 變頻調速 晶閘管調壓

1 軟啟動器的概念

軟啟動器是在20世紀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、輕載節能和多種保護功能于一體的新型電機控制裝置。軟啟動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，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，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，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，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。

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

2 軟啟動器與傳動啟動方式的比較

電機傳統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，部分國產電動機的啟動電流經過實際測量高達額定電流的8～12倍。過大的啟動電流會對電機本身和電網以及其他電氣設備的正常運行造成不利影響，會在電動機軸上產生瞬時的過大轉矩，扭曲電機軸、破換鍵槽、損壞和軸連接的其他設備，使電機發熱影響其壽命，供電線路電壓損失增大，可能使并聯于同一供電線路上的其他電氣設備的正常運行遭到破壞。

傳統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象。這些傳統啟動器價格低廉，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矩，而且接觸器故障多、電動機沖擊電流大、沖擊轉矩大、沖擊力矩大、效率低。

軟啟動與傳統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通角，使電機啟動電流從零線性上升至設定值。（2）恒流啟動。軟啟動器可以引入電流閉環控制，使電機在啟動過程中保持恒流，確保電機平穩啟動。（3）根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，可自由地無級調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：當電機全壓啟動時，對電網的沖擊最大，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，所以出現二次沖擊的不利環節；軟啟動由于在啟動前設定了一個不對電網產生影響的啟動電流，電流緩慢增大至設定電流，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

當電機在啟動時，由電子電路控制晶閘管的導通角使得電機的端電壓以設定的速度逐漸升高，一直升到全電壓，使電機實現無沖擊啟動到控制電動機軟啟動的過程。當電動機啟動完成并達到額定電壓時，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通角，使電機端電壓慢慢降低至0，從而實現軟停機。

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定值，對電網無沖擊；啟動過程中引入電流負反饋，啟動電流上升至設定值后，使電機啟動平穩；不受電網電壓波動的影響，由于軟啟動以電流為設定值，電網電壓上下波動時，通過增減晶閘管的導通角，調節電機的端電壓，仍可維持啟動電流恒值，保證電機正常啟動；針對不同負載對電機的要求，可以無級調整啟動電流設定值，改變電機啟動時間，實現最佳啟動時間控制。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，不具備電流閉環控制，僅調整晶閘管導通角，使之與時間成一定函數關系增加。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整和限制。不限流軟啟動方式因為沒有對啟動電流進行限制，有時要產生較大的沖擊電流使晶閘管損壞，對電網影響較大，實際很少應用，適應重載啟動場合。

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通，然后恢復至較小導通角，進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，以較大電流導通一段時間后回路，再按原設定值線性上升，連入恒流啟動。該啟動方式在一般負載中較少應用，適用于重載并需克服較大靜摩擦的啟動場合。

通過調節啟動電流設定值，可以達到快速啟動效果。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。適用于對電機轉矩、速度變化敏感的場合，如小張力繞線機構。

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定值，其后維持恒定，直至啟動結束。絕大多數應用場合適用。

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，當電流達到預先所設定的值后保持恒定，直至啟動完畢。啟動過程中，電流上升變化的速度可以根據電動機負載調整設定。電流上升速率大，則啟動轉矩大，啟動時間短。該啟動方式是應用最多的啟動方式，尤其適用于風機、泵類負載啟動。

4 軟啟動的發展

現代軟啟動器主要有變頻調速及晶閘管調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、靜態性能，在低速時也可以任意調節電動機轉矩，啟動轉矩高達額定轉矩的150%，它可以恒轉矩啟動電動機，啟動電流可限制在額定電流的150%以內，可以實現自由停車、軟停車、泵停機、直流制動，滿足有特殊要求的電動機控制，是未來發展的方向