软启动器技术原理及应用
1引言
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,缺少相应的设计及使用经验等,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、星世纪三角转换等。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。
2软启动器技术简述
2.1软启动器技术应用的必要性
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—Δ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:①减少冲击力,延长设备寿
命;②根据不同负载选用不同的启动方式以提高加/减速特性;③保护功能全面;④提高可靠性;⑤通过
修改参数,匹配不同的负载对象;⑥智能化,可以与PLC等相互通讯。
2.2软启动器技术的分类
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,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,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。软启动可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，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
①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 的额定电流以下。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，变频调速启动适用于较大启动转矩的负载，一般是大于 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。
②经济性。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。
3.3.1智能软启动器的基本特性
①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。
②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。
③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。
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,缺少相应的设计及使用经验等,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、星世纪三角转换等。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。
2软启动器技术简述
2.1软启动器技术应用的必要性
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—Δ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:①减少冲击力,延长设备寿
命;②根据不同负载选用不同的启动方式以提高加/减速特性;③保护功能全面;④提高可靠性;⑤通过
修改参数,匹配不同的负载对象;⑥智能化,可以与PLC等相互通讯。
2.2软启动器技术的分类
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,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,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。软启动可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，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
①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 的额定电流以下。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，变频调速启动适用于较大启动转矩的负载，一般是大于 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。
②经济性。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。
3.3.1智能软启动器的基本特性
①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。
②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。
③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。
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