1、 电力电子 软启动器节能控制方式及应用 时间 ： 2012 年 12 月 5 日 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 2 - 引言 交流电动机在目前电力能源消耗中占有很大比重， 交流电动机和直流电动机相比存在许多优点， 但在实际应用中，电动机往往工作于负荷较小的状态，因此效率、功率因数均较低，这就造成了电能的很大浪费。 所谓起动过程是在交流传动系统中，当异步电动机投入电网时，其转速由零开始上升，转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况下，直接加额定电压到定子绕组起动电动机 时，电机的起动电流可达额定电流的 4 8 倍，其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动
2、时的转矩冲击较大，一般可达额定转矩的两倍以上。起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击，给电网造成过大的电压降落，降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此，通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩。 利用变频器虽然可以起到良好的节能作用，但其价格昂贵限制了它的应用，而电动机软启动器常作为电动机的基本控制电器， 使用软启动器配以相应的节能控制算法也可以起到一定的节能效果。具有节能功能的软启动器可对电机电流、功率因数进行监视，控制电动机的端电压变化，使其在欠载或空载的情况下调整电动机的电压，降低励磁电
3、流，从而达到节能的目的 。 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 3 - 目录 引言 .- 1 - 目录 .- 3 - 1 课题调研方案 .- 5 - 1.1 背景及意义 .- 5 - 1.2 课题目的 .- 5 - 1.3 课题现状 .- 6 - 1.4 课题内容 .- 6 - 1. 5 研究方式 .- 7 - 2 传统电机起动的弊端 .- 8 - 2.1 对电网的影响 .- 9 - 2.2 对电机的影响 .- 9 - 2.3 对机械设备的影响 .- 9 - 3 软启动器基础知识 .- 10 - 3.1 软启动器概念 .- 10 - 3.2 电机的软启动 .- 10 - 3.3 软启动器节能
4、的工作原理 .- 11 - 3.3.1 感应电动机的工作特性 .- 11 - 3.3.2 感应电动机功率和损耗 .- 11 - 3.3.3 降压节能的机理 .- 13 - 3.4 软启动器的控制方式 .- 13 - 3.4.1 电压斜坡式软启动 .- 14 - 3.4.2 阶跃恒流式软启动 .- 14 - 3.4.3 脉冲恒流式软启动 .- 15 - 3.4.4 电压双斜坡起动 .- 15 - 3.4.5 起动性能的比较 .- 15 - 3.5 软启动节能的条件 .- 16 - 3.6 软启动器应用场合 .- 18 - 4 电机节能效果的影响因素 .- 19 - 4.1 节能效果同负载特性的关
5、系 .- 19 - 4.1.1 节能效果同负荷率的关系 .- 19 - 4.1.2 节能效果同负载特性的关系 .- 20 - 4.2 节能效果同其它因素的关系 .- 21 - 5 异步电动机起动系统的仿真模型 .- 22 - 6 软启动节能控制方式的实际应用效果 .- 23 - 6.1 软启动器在河南全新机电鲁厂的应用 .- 23 - 6.2 软启 动器在风机中的应用 .- 24 - 7 软启动器节能运行带来的问题 .- 26 - 7.1 转差功率损耗 .- 26 - 7.2 采用节能控 制对电动机的影响 .- 27 - 7.3 采用节能控制对软起动器自身的影响 .- 27 - 7.4 采用节
6、能控制对电网的影响 .- 28 - 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 4 - 8 软启动器节能控制的正确应用 .- 29 - 9 软启动的发展方向 .- 31 - 9.1 高压固态软启动器 .- 31 - 9.2 智 能型软启动器 .- 31 - 9.3 变频器型软启动器 .- 31 - 10 结论 .- 32 - 参考文献 .- 33 - 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 5 - 1 课题调研方案 1.1 背景 及意义 交流异步电动机以其成本低、高可靠性及维护工作量小等优点，在各种领域中得到了广泛的应用。但是在电机直接启动时，存在着两大缺欠：其一是它的启动电流高达 7 8 倍，这就要
7、求电网容量足够大，同时这样大的启动电流会降低电器控制设备的使用效率，增加维修成本；其次，启动转矩可达正常转矩的两倍以上，这会对负载等机械设备造成机械冲击，增加其传动部件的维护工作量。 当前，国家大力推广节能和绿色建筑的设计理念 ，增设有节能降耗功能的先进设备显得越来越重要。运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至启动结束，赋予电机全电压。由晶闸管自动跟踪供电，能随时跟踪负载的变化大小，自动调节供电电压；避免电能的浪费，大大提高电机运行效率，最大限度地提高了电机的有功功率的比率，并且还提供软停车功能。软停车与软启动过程相反，
8、电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击，真正做到一机多用，并且价格低廉，是电机理想的控制设备。 传统的降压启动方式，无论 是星型三角型接法还是自偶变压器降压启动等方式，虽然减少了启动电流，但启动转矩也同时减少，只能应用在轻载或空载启动场合。传统的停止制动方式采用自然停止或抱闸制动等停车方式，容易产生水锤效应，对负载设备产生严重的危害。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。电机节能不但能产生巨大的社会效益，而且能带来巨大的经济效益
9、。据统计电动机节能率每提高一个百分点，我国每年就能节省 电费几十亿元，因此异步电机的启动和降耗节能己成为当今电气行业的一个重要课题。 1.2 课题目的 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 6 - 当前我国迫切 需 要提高电能的利用效率，电 子 软 启 动器作为电动机控制装置配合适当的控制程序可以起到良好的节能作用。本次实践调研从电机理论入手，阐述软起动器节能控制 的 工作原理，分析典型负载的特性与应用节能控制的效果之间的关系，并总结了实 际应用软启动器节能控制需满足的条件。 软起动器是一种集电机软启动、软停机、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，相比于传统的起动器，它突出的优点体
10、现在能够连续无级的调节电机起动、冲 击转矩和冲击电流小、控制简便、起动重复性好以及体积小等方面。 1.3 课题 现状 1）本次调研搜集了大量的软启动器相关知识，并且在专业指导老师的全程指导下进行了全面的归纳、整理和总结。 2）调研报告紧密结合党和国家关于节能和绿色建筑的设计理念，软启动器具有零污染、低能耗、易操作、易控制和易推广等许多优点。 3） 尽管软启动器已经被应用到了实际产生，但一些厂家对软启动器节能效果的认识不是很全面，加之考虑到其设备价格和应用后所引起的其他问题，就产生了不解和困惑。本次调研系统地概括了软启动器的性能和使用技巧，通过科学的 理论内容、准确的实验数据为厂家提供了一份专业
11、的指导说明书 。 4） 本次调研首先通过比较软启动器、传统起动方式和变频器的起动性能，然后用一些具有代表性的应用实例来说明软启动器的节能效果。 1.4 课题 内容 首先， 介绍了 我国电机起动节能技术发展的状况和应用情况，并提出了论文的研究目的和主要工作。其次 ,详细地 研究 了软起动器的工作原理、节能控制方式、节能条件和应用场合，还 分析 了软启动器节能效果的影响因素，特别是其与负载特性的关系。然后，主要分析了软启动器在河南全新机电鲁厂和风机中的应用效果，还分别比较了其安装软启动器前 后的性能。最后，通过查阅相关资料，归纳了软启动器启动时带来的问题，其主软启动器节能控制方式及其应用调研 -
12、7 - 要问题包括转差率损耗、电机损耗和软启动器自身损耗，以及其对电网的影响。与此同时， 概括了 了软启动器节能控制方式的正确使用，并总结了本 课题 的研究成果。 1. 5 研 究 方式 1）图书馆借阅书籍，电子书刊阅览，互联网查找，咨询指导老师等。 2） 用 MATLAB 搭建异步电动机起动系统的仿真模型 ， 验证软启动器是否能够改善和控制异步电动机的启动过程和节能效果分析 。 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 8 - 2 传统电机起动 的弊端 中大功率电动机的起 动问题往往采用一些传统的起动方式及设备，如 :定子回路串电抗器起动、自耦变压器降压起动、 Y/变换方式起动、延边三角形起动方
13、式等。这些传统的降压起动方式普遍存在着起动设备复杂，故障率高，而且还属于有级降压起动，部分起动方式存在起动电流大或起动转矩偏小等弊端。 例如：定子串电抗器起动，起动电流一般是标称电流的 3-4 倍，起动转矩是标称转矩的 0.4-0.6 倍 ;用于三端子电机，起动时不断增加阻性转矩，有高电流峰值，且设备笨重，需要维护 ;无起停参数调整，同时这种起动方式能源浪费也大。星 -三角起动的起动电流一般是标称电 流的1.8-2.6 倍，而起动转矩是标称转矩的 0.33 倍 ;应用的电机一般为六端子电机，多用于空载起动或低阻性转矩起动 ;设备维护量较大。自耦变压器起动时其起动电流一般是标称电流的 1.7-4
14、 倍，而起动转矩是标称转矩的0.4-0.55 倍 ;多应用于三端子高功率电机，在电压变化时起动，会出现大压降和高电流峰值 ;设备较笨重，维护量大。一般工况中不同传统起动方式的特点如下表一所示 : 表 1 异步电机不同起动方式的特点 技术指标 传统起动方式 直接起动 自耦变压器起 动 定子串电抗起 动 星 -三 角起动 起动电流 I为直接起动电流的倍数 100% 30% 40% 58% 70% 33% 起动转矩为直接起动转矩的倍数 100% 40% 85% 40% 60% 33% 起动级数 1 4 3或 2 3或 2 2 接到电动机 的线数 3 3 3 6 线电流过载 倍数 5 10In 1.7
15、 4In 3 4In 1.8 2.6In 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 9 - 2.1 对电网的影响 当电动机直接起动时，起动电流为正常工作电流的 57 倍，此电流作用在有限容量电网的阻抗上就会产生压降，电网电压降低到一定程度就会影响电网上其它设备的正常工作， 要解决此问题，一个办法是加大电网容量，但电网容量的加大不仅需要增加变压器容量，线路容量致使费用大大提高，在起动结束，电机正常运行时，电网的容量得不到充分的利用，同时加大的变压器的空载损耗也大大增加了，白白的浪费了很多电能。 对电网的影响主要表现在两个方面： 超大型电机直接起动的大电流对电网的冲击几乎类似于三相短路对电网的冲击，常
16、常会引发功率振荡，使电网失去稳定。 起动电流中含有大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、自动控制失灵等故障。 2.2 对电机的影响 破坏 电机绝缘，降低 电机寿命 ： 大电流产生的焦耳热反复作用于导线外绝缘，使绝缘加速老化、寿命降低。 大电流产生的机械力使导线相互摩擦，降低绝缘寿命。 高压开关合闸时触头的抖动现象会在电机定子绕组上产生操作过电压，有时会达到外加电压的 5 倍以上，这样高的过电压会对电机绝缘造成极大伤害。 2.3 对机械设备的 影响 全压直接起动时的起动转矩大约为额定转矩的 2 倍，这么大的力矩突然加在静止的机械设备上，会加速齿轮磨损甚至打齿、加速皮带
17、磨损甚至拉断皮带、加速风叶疲劳甚至折断风叶等等。 软启动器节能控制方式及其应用调研 - 10 - 3 软启动器基础知识 3.1 软启动器 概念 软 启 动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。 图 3-1 是软启动控制器的原理图， 待电机达到额定转数时，启动
18、过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动 机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。 3.2 电机的软启动 软启动是非全压启动 ， 硬启动是全压启动 。 大负载电器的启动瞬间电流很大 ， 这不但对启动设备要求高而且对电路的冲击也很大 ， 因此大设备通常都是采用软启动方式 。 在直接启动的时候 ,交流电机的电流是额定电流的 6-8 倍 ,但是产生的转矩只是 2 倍 .软启动通过控制电压和频率 ,可以实
