1、软启动器 1. 软启动器 概述 软启动器以体积小 ， 转矩可以调节、启动平稳、冲击小并具有软停机功能等优点得到了越来越多的应用 ， 大有取代传统的自耦减压、星 -角变换降压启动的趋势。由于软启动器是近年来新发展起来的启动设备 ，因而 缺少相应的设计及使用经验等 。而 笼形异步电动机是应用最广泛的用电设备 ，由于电动机直接启动时的冲击电流很大，特别是大容量电动机直接启动会对电网及其他负载造成干扰甚至危害电网的安全运行，所以按不同工况，采用许多种减压启动方式。早期的方式有串联电抗或电阻、串联自耦变压器、星 /三角转换等。从 20 世纪 70 年代起，工程上开始推广利用 晶闸管交流调压技术 制作的软
2、启动器。这种软启动器是集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电动机控制装置，国外称为 soft starter。软启动器的构成主要是串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。软启动器的工作原理是，控制电路运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零以预设的函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电动机全电压，实现软启动。在软启动过程中，电动机启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。在上述基础上，把功率因数 控制技术结合进去，以及采用微处理器代替模拟控制电路，使早期的软启动器已发展成智能化软启动器。 本讲座主要针对目前软启动技术原理、在工业各个
3、领域的应用成果和问题给予讨论。 2. 软启动技术简述 2.1软启动技术应用的必要性 电动机启动一般采用自耦减压、星 -角变换减压启动方式 ,其中最常用的是星 -角变换降压启动方式 ， 该方式下电动机的转矩与加在电动机定子上的电压的平方成正比 ， 降压启动是指电动机在启动过程中降低加在电动机定子绕组的电压 ， 假设启动电压 U =0.5Ue,则电动机启动时的转矩为 0.25Mm,即启动时的转矩 只有电动机最大转矩的 1/4。如果在此时将电压 U加大到电动机额定电压 Ue， 则电动机的转矩一下子就从 1/4跳到 Mm， 这样的启动过程是跳跃的、不平滑的 ， 所以又叫作硬启动 。 一般降压启动控制技
4、术可靠性差 ， 不稳定 ， 每次启停都会造成对电网和机械设备的冲击 ， 引发一系列的技术问题。例如 ： 在这种控制方式下 ， 水泵电动机在启动时必须将其出口阀门关严 ， 在低负荷时才能启动 ， 否则会造成开关跳闸 ， 影响电动机的正常启动。 总体来说 ， 传统的启动方式存在以下几个问题 ： (1)对电网的冲击大 ， 影响了电网供电质量 ,对变压器裕量要求较大 ； (2)对机 械设备冲击大 ,降低设备使用寿命 ； (3) Y启动的切换时间一般根据经验设定 ,对生产工艺要求稳启动的场合不宜采用。软启动是使用调压装置在规定的启动时间内 ,自动地将启动电压连续、平滑地上升 ， 直到达到额定电压。此时电
5、动机的转矩就会平滑地增大 ， 一直到转矩为最大值 Mm 时为止 ,启动过程结束。 软启动可以使电动机启停自如 ， 减少空转 ， 有节能作用 ， 软启动器还具有下列优点 : 减少冲击力 ， 延长设备寿命 ； 根据不同负载选用不同的启动方式以提高加 /减速特性 ； 保护功能全面 ； 提高可靠性 ； 通过修改参数 ， 匹配不同的负载对象 ; 智能化 ,可以与 PLC 等相互通讯。 2.2软启动技术的分类 电动机的软启动技术有磁控软启动、 SCR软启动和液阻软启动等几种不同的方式 ， 其中以 SCR软启动应用最为广泛。其启动类型有 ： (1)不限流软启动 。 启动时 ， 使启动电流以一定斜率不断上升
6、， 直至启动完毕 ， 期间对启动电流不加任何限制。这种启动方式因为没有对启动电流进行限制 ， 所以对电网冲击较大 ， 一般不使用 ， 适应重载启动场合。 (2)斜坡恒流软启动。该启动方式是在电机启动的初始阶段启动电流逐渐增加 ， 当电流达到预先所设定的值后保持恒定 ,直至启动完毕。在启动过程中 ， 电 流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大 ， 则启动转矩大 ， 启动时间短。这种启动方式应用得最多 ， 尤其适用于风机、泵类负载的启动。 (3)脉冲冲击启动。启动一开始在极短的时间里 ， 使晶闸管接近于全导通 ， 然后恢复至较小导通角 ， 进行正常的恒流软启动。适用于启动时静
7、摩擦力矩较大的场合。 (4)阶跃启动。阶跃启动方式是在开机时以最短时间使启动电流迅速达到设定值 ， 通过调节启动电流的设定值 ,可以达到快速启动的效果。 2.3 SCR 软启动技术的原理 软启动器结合了电力电子技术、自动控制技术和单片机技术 ， 是专为 三相异步电动机设计的一种全数字智能化启动设备。其基本原理是通过对功率器件即可控硅的控制而实现对电动机的启动和停止控制 ， 采用电压斜率的工作原理 ,， 控制输出给电动机的电压从可整定的初始值经过可整定的斜率时间上升到供电全压。因此降低了对电动机电源的容量要求 ， 并减少对供电电网的影响和机械传动的冲击。软启动器采用三相反向并联的晶闸管作为调压器
8、 ， 将其接入电源和电动机定子之间。这种电路类似三相全控桥式整流电路 ， 通过内部的单片机调整改变触发脉冲的触发时间来改变触发角的大小 ， 进而调节加到定子绕组上的端电压。 异步电机启动性 能主要有两个指标 ： 启动电流倍数和启动转矩倍数 。软启动器在启动时通过改变加在电机上的电源电压 ， 以减小启动电流、启动转矩。电动机传统启动方式有自耦减压、 Y/ 减压等方式 ,其共同特点是控制线路简单 ， 启动转矩不可调并有二次冲击电流 ， 对负载有冲击转矩。软启动 电流是 标准电机硬启动电流的 50%， 是高效电动机硬启动电流的20%。软启动的限流特性可有效限制浪涌电流 ,避免不必要的冲击力矩以及对配
9、电网络的电流冲击 ， 有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作 ； 对频繁启停的电动机 ， 可有效控制电动机的温升 ， 延长电动机的寿命。目前应用较为广 泛、工程中常见软启动器是晶闸管 (SCR)软启动。 SCR 软启动原理 ： 在三相电源与电机间串入三相联晶闸管 ， 利用 SCR 移相控制原理，改变其触发角 ， 启动时电机端电压随 SCR的导通角从零逐渐上升 ， 就可调节输出电压 ， 电机转速逐渐增大 ， 直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程 ； 软起动器的输出是一个平稳的升压过程 (且可具有限流功能 )， 直到SCR 全导通 ， 电机在额定电压下工作 ； 此时旁路接触器接通 (避免电机在
10、运行中对电网形成谐波污染 ,延长 SCR寿命 )， 电机进入稳定运行状态 ； 停车时先切断旁路接触器 ， 然后由软启动器内 SCR导通角由大逐渐减小 ， 使三相供电电压逐渐减小 ， 电机转速由大逐渐减小到零 ， 停车过程完成。 SCR 软启动器在设计上采用了电流电压矢量传感动态监控技术 ， 不改变电机原有的运行特性 ； 采用锁相环技术和单片机 ， 根据压控振荡器锁定三相同步信号的逻辑关系设计出的一种可控硅触发系统 ,控制输出脉冲的移相 ， 通过对电流的检测 ,控制输出电压按一定线性加至全压 ,限制起动电流 ，实现电机的软起动。 3. 软启动器的性能特点 软启动采用软件控制方式来平滑启动电动机，
11、控制方式是以软（件）控强（电）。其控制结果将电动机启动特性 由 “硬 ”平滑为 “软 ” 平滑，故被称为 “软启动 ”。 软启动又分为两种： 一种是采用变频恒转矩限流启动； 另一种是采用晶闸管调压启动，又称智能软启动。 3.1两类软启动的对比 技术性能。采用变频调速启动，启动时具有良好的静、动态性能， 即使是在低速情况下也能随意调节电动机转矩，能以恒转矩启动电动机，启动电流可以限制在额定电流以下。采用智能软启动，启动时由于转矩是按电压比的二次方减小，因此启动转矩很小。软启动器有电流反馈，也可采用恒流启动，即在启动过程中保持启动电流不变，直到电动机接近同步转速。从技术性能方面考 虑，变频调速启动
12、适用于较大启动转矩的负载，一般是大于 kw的场合，如往复式空压机、离心分离机、带负载的输送机、破碎机、螺旋式或如旋转式空压机、离心式风机、离心泵、空载启动的输送机及各种空载启动的设备。 经济性 能 。采用变频器调速启动比智能软启动的投资费用高两倍甚至三倍。 综合以上技术性能和经济性，对于工矿企业能实际推广的启动方式当数后者。 3.2智能软启动器 智能软启动主要由串接于电源与被控电动机之间的 三对反并联晶闸管 组成的调压电路构成，以微处理器为控制核心，整个启动过程在数字化程序软件控制下自动进行 。智能软启动器利用三对晶闸管的电子开关特性，通过启动器中的微处理器，控制其触发脉冲的迟早来改变触发延迟
13、角的大小，而晶闸管触发延迟角的大小，又可改变晶闸管的导通时间，从而最终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的特点是，电动机转矩近似与定子电压的二次方成正比，电动机的电流和定子电压成正比，因此，电动机的启动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现。而电动机定子电压又是通过晶闸管的导通角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，以满足不同的负载启动特性。在电动机启动过程中，晶闸管的 导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，启动完成，从而实现电动机的无级平滑启动。电动机的启动转矩和启动电流的最大值可根据负载情况设定。 3.3智能
14、软启动器的技术特性与功能 3.3.1智能软启动器的基本特性 采用微处理器全数字自控监控。启动时启动电流以恒定的斜率平稳 上升，对电网无冲击电流，不会造成大的电压降落，保证了电网电压的稳定。启动转矩、电流、电压、时间可按负载不同而设定，可取得最佳的电流冲击和最佳的转矩控制特性，极大地减少了电动机转矩对负载的冲击，也满足了不 同工作对象对启动转矩的不同要求，保护了被驱动机构。 电动机启动不受电网电压波动的影响。由于在晶闸管的移相电路中，引入了电流反馈，因而使电动机在启动过程中保持恒流、平稳启动。同时，由于以启动电流为定值整定，当电网电压上下波动时，通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角来维持原始设
15、定值，可保护启动电流恒定。有的软启动器还采用双电源隔离，保证控制部分不受各种强电干扰。 根据工作对象的不同，电动机可选择多种启停方式，而采用不同的启动方式，其启动转矩也不同。一般电动机软启动的初始转矩 范围内选择，从初始转矩，可根据 用户要求在启动转矩的平开始，电动机的定子电压在斜坡加速时间内无级增加，加速的斜坡时间由用户设定。电动机可以自由停车和软停车，软停车时间可调节。软停车特性大大延长电气触点寿命。 结构简单，重量轻，无噪声，占地小。作为无触点控制，软启动器使用寿命比传统的接触器大大延长，若使用得当，可长达几十年，全免维修，而且安装、操作、使用简便。软启动器平滑、渐进的启动过程可降低设备
16、的振动和噪声，延长电动机和被驱动机械的寿命，并改善了工人的劳动环境。 可选择过电流、过载、电源断相等多种保护，保证了设备和电动机的安全。软启 动可提供设备的监控保护的快速故障诊断信息，如限流、过载、断相、转子堵转等。保护整定值可由用户指定，保护性能可靠。有的软启动器还具有相序自动识别、相序保护功能。 6带标准的 RS-232C 接口，具有通信功能。智能软启动器通过标准接口传输数据，可集成网络化，实现分散控制，集中管理，它的全数字设定和外控功能大大方便用户，性能价格比高。智能软启动器人机界面友好，工作时显示工作电压，工作电流，最大电流，故障时显示故障类别，有方便的外控接口，具有数字延时启动控制、
17、软停控制输入、启动延时继电器输出和故障继电器输出等多种功能 。 3.3.2智能软启动器的启动特性 限流型：限制启动电流，降低启动压降，任意调整，键盘设定。 电压控制型：设定允许电压降百分值，自动测量压降并限制压降，通过测量压降自适应控制启动电流，调试数据微处理器自动记忆，运行时由智能程序自动监控运行 。 转矩控制型：在启动和停止期间对电动机运行特性的控制，对电动机和启动器的过载保护，对传动机械的保护，清除浪涌转矩并降低冲击电流，在给定区间内控制加速转矩和按应用要求调节电动机转矩。 转矩控制加突跳型：如果转矩控制启动时间长，通过转矩突跳克服静转矩，加快启动周期 。 3.3.3智能软启动器的停车特性 自由停机：自由掉电停机，外故障停机，自复位可编程。 软停机：软停机（ 0 200s 为自由停机）自设定。电动机停车传统方式为自由停机，即通过瞬间停电来实现，但如带式运输机、升降机等许多设备并不宜突然停机，软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后，导通角逐渐减小，经一定时间才过渡到全关，即电动机端电压逐渐减至零。停车时间可按实际需要设定。 制动停机： 0 60S 自设定，强制停 机 。
