襄陽源創(chuàng)電氣小王告訴我們:軟啟動器作為節(jié)能控制器于上世紀(jì)90年代初開始在國內(nèi)大量推廣，經(jīng)過多年實踐證明晶閘管軟啟動器優(yōu)于傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器，隨著國產(chǎn)化的推進(jìn)傳統(tǒng)的自耦式補(bǔ)償器將被逐步淘汰。

 

    關(guān)鍵詞：軟啟動

 

    一、引言

 

    1977年美國航空航天局(NASA)FrankNole工程師獲得了一項節(jié)電器專利，初期稱為“功率因數(shù)控制器”，此后又有許多公司和個人開發(fā)了十幾種節(jié)電器。1982年FrankNole又作了二點改進(jìn)，一是省掉取樣電阻而改為監(jiān)視晶閘管兩端電壓，二是采取了反饋控制技術(shù)，使空載時電動機(jī)電壓進(jìn)一步減小，節(jié)電率大大提高，正式定名為“節(jié)電器”（POWERSAVER）。我國也開發(fā)了節(jié)電器，但實際使用效果不佳，未能廣泛推廣使用。1983年后，上海市相繼引進(jìn)了一系列的節(jié)電器產(chǎn)品，在對引進(jìn)的節(jié)電器消化吸收的基礎(chǔ)上，上海，西安等地研制出了新型節(jié)電器，其性能達(dá)到并超過引進(jìn)的同類產(chǎn)品，為進(jìn)一步推廣節(jié)電器創(chuàng)造了條件，國內(nèi)市場上從上世紀(jì)90年代開始把軟啟品在國內(nèi)大量推廣。

 

    二、電動機(jī)啟動的現(xiàn)狀

 

    三相鼠籠型異步電動機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維修方便、慣性小、價格便宜等諸多優(yōu)點，在供熱系統(tǒng)中作為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的主要動力設(shè)備而被廣泛采用。但由于其啟動電流大，對電網(wǎng)和工作機(jī)械（如水泵、逆止閥、管網(wǎng)等）的沖擊力都很大，因而在啟動過程中必須采取一些技術(shù)措施對啟動電流和沖擊力（啟動電磁轉(zhuǎn)矩）加以合理而有效的控制，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的啟動，從而改善系統(tǒng)設(shè)備工況，有效延長系統(tǒng)壽命，減少故障率的發(fā)生。

 

    異步電動機(jī)的啟動，一直為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。異步電動機(jī)的啟動方式從原理上講只有兩種：直接啟動和降壓啟動。直接啟動，就是將處于靜止?fàn)顟B(tài)的電動機(jī)直接加上額定電壓，使電動機(jī)在額定電壓作用下直接完成啟動過程。直接啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短，啟動控制方式簡單，設(shè)備投資少，因此在中小型電動機(jī)的啟動上得到廣泛的采用。但直接啟動方式也受到許多限制，主要表現(xiàn)在下列三個方面：

 

    （1）啟動電流可大到電動機(jī)額定電流的4～7倍，部分國產(chǎn)電動機(jī)的啟動電流實際測量甚至高達(dá)8～12倍。如果直接啟動較大的電動機(jī)，過大的啟動電流將造成電網(wǎng)電壓顯著下降，影響同一電網(wǎng)其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時將使部分設(shè)備因電壓過低而退出運(yùn)行，甚至使電力線路繼電保護(hù)裝置過流保護(hù)動作而跳閘，使線路供電中斷。

 

    （2）直接啟動會使被拖動的工作機(jī)械受到機(jī)械性沖擊，對于水泵性負(fù)載來說，過高的啟動轉(zhuǎn)矩對葉片、軸承、逆止閥等造成軟性損傷（機(jī)械變形、疲勞性老化）及硬性損傷（裂紋、斷裂等）是較為常見的，甚至?xí)蛩鲗艿赖臎_擊力（及反作用力）過大而產(chǎn)生嚴(yán)重的水錘效應(yīng)損壞設(shè)備。

 

    （3）直接啟動要求供電變壓器容量較大，而在供熱循環(huán)系統(tǒng)中多臺循環(huán)泵同時運(yùn)行的情況下，所選用的變壓器容量要比較大，因此不允許直接啟動電機(jī)。在不允許直接啟動的情況下，就要采用降壓啟動的啟動方式，即降低電動機(jī)端電壓進(jìn)行啟動。降壓啟動一般有星／三角啟動，定子電路中串接電阻、電抗器啟動，自耦變壓器降壓啟動及本文推薦的軟啟動等。

 

    星形／三角形啟動器是降壓啟動器中結(jié)構(gòu)簡單、成本低的一種，然而它的性能受到限制，主要表現(xiàn)在：

 

    （1）無法控制電流和轉(zhuǎn)矩下降程度，這些值是固定的，為額定值的1／3。

 

    （2）當(dāng)啟動器從星形接法切換到三角形接法時，通常會出現(xiàn)較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動。這將引起機(jī)械和電氣應(yīng)力，導(dǎo)致經(jīng)常性故障的發(fā)生。

 

    自耦變壓器式啟動器比星形／三角形啟動器提供了更多的控制手段，可以通過變壓器抽頭改變I段啟動電壓（典型為65％和80％兩擋啟動分接頭）。然而它的電壓是分級升高的，所以其性能受如下限制：

 

    （1）電壓的階躍性變化（分級轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生）引起較大的電流和轉(zhuǎn)矩變動，將引起機(jī)械和電氣應(yīng)力，會導(dǎo)致機(jī)械、電氣經(jīng)常性故障的發(fā)生。

 

    （2）有限的輸出電壓種類（啟動電壓分接頭數(shù)量有限），限制了理想啟動電流的選擇。因為自耦變壓器式啟動器控制是使用較額定電壓低的電壓級別進(jìn)行降壓啟動，它控制的電機(jī)參數(shù)為電壓而非電流，所以當(dāng)電網(wǎng)電壓波動及負(fù)載變化（循環(huán)系統(tǒng)流量和壓力變化較大）時，啟動電流曲線將顯著偏離設(shè)計理想曲線，從而惡化啟動性能，設(shè)備在較差的工況下將大大縮短使用壽命，增加維護(hù)成本。

 

    電阻式啟動器也能提供比星形／三角形啟動器更好的啟動控制。然而它同樣有一些性能、使用上的限制，包括：

 

    （1）啟動特性很難優(yōu)化。原因是制造啟動器時電阻值是確定的，在使用中很難改變，雖然可以通過轉(zhuǎn)換分接頭來進(jìn)行分級啟動，但當(dāng)級數(shù)較多時，勢必增加控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，而制造成本、故障率也將隨之大幅度提高，所以一般電阻式啟動器均在2～5級間。這樣，加在電動機(jī)定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數(shù)在分級啟動時仍有很大的波動。

 

    （2）頻繁啟動場合下的啟動特性不好。原因是在啟動過程中電阻值會隨著電阻的溫度變化，在停止到再啟動過程中需經(jīng)長時間冷卻過程。

 

    （3）負(fù)載較大或啟動時間較長的場合下的運(yùn)行特性變壞，原因是電阻值隨著電阻器溫度的變化而變化。

 

    （4）在負(fù)載大小經(jīng)常變化的場合（循環(huán)系統(tǒng)流量和壓力變化較大），電阻式啟動器不能提供理想的啟動效果。

 

    綜上所述，傳統(tǒng)的降壓啟動設(shè)備均有諸多性能限制和使用限制，越來越難以適應(yīng)不斷的電動機(jī)復(fù)雜使用場合的啟動需要。 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軟啟動器作為一個新型電動機(jī)啟動裝置可以克服以上缺點，它是一種集電機(jī)軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制裝置。目前，供熱企業(yè)籠型異步電機(jī)的降壓啟動設(shè)備正逐步被軟啟動器取代。

 

    三、軟啟動器的工作原理及主要特點

 

    軟啟動技術(shù)是在晶閘管斬波技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用晶閘管斬波技術(shù)進(jìn)行工頻電壓調(diào)節(jié)。在50Hz正弦波每個半周內(nèi)固定時間（過零延時t1）給晶閘管VT1門極以一個觸發(fā)脈沖，則根據(jù)晶閘管特性，在觸發(fā)脈沖結(jié)束后，晶閘管將在半周內(nèi)剩余時間維持導(dǎo)通,直至電壓再次過零，這樣只要調(diào)節(jié)VT1觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時間，則輸出電壓u0將會在0～100％輸入電壓（ui）內(nèi)得到調(diào)節(jié)。如果將晶閘管斬波調(diào)壓技術(shù)應(yīng)用于三相電源，再加入技術(shù)如單片機(jī)控制技術(shù)等即可制成軟啟動器，從而在大型三相鼠籠式交流異步電動機(jī)的啟動上得以應(yīng)用。

 

    軟啟動電動機(jī)時的電壓、電流特性曲線見圖1。

 

    從電壓特性曲線u＝f（t）可以看出，從啟動開始軟啟動器給交流異步電動機(jī)一個初始電壓Ust（Ust一般在10％～60％Ue間自由調(diào)整）并在用戶設(shè)定的啟動時間Tst（Tst一般在1～60s范圍內(nèi)自由設(shè)定）內(nèi)將負(fù)載電壓均勻上升到電動機(jī)額定電壓Un。由于軟啟動器自身特有的限流功能，啟動電流在啟動期間始終不超過啟動限制電流Is（Is一般在2～5Ie內(nèi)自由設(shè)定）。從圖1可以看出電動機(jī)軟啟動時無論在電流曲線還是電壓曲線上，均已將電流沖擊及機(jī)械性沖擊減小到低的程度。

 

    軟啟動器是利用串接于電源與被控電動機(jī)之間三對反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路構(gòu)成。現(xiàn)代軟啟動器基本上都采用了電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，以單片微機(jī)作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，因此，軟啟動器具備了很強(qiáng)的功能和靈活性。整個啟動過程是數(shù)字化程序軟件控制下自動進(jìn)行。利用三對晶閘管的電子開關(guān)特性，通過啟動器中的單片機(jī)，控制其觸發(fā)脈沖的遲早來改變觸發(fā)角的大小。而觸發(fā)導(dǎo)通角的大小，又改變晶閘管的導(dǎo)通時間，終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機(jī)定子調(diào)壓的結(jié)果，一方面其轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比，另一方面電動機(jī)的電流又和定子電壓成正比。電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現(xiàn)，而定子電壓又是通過可控硅的導(dǎo)通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現(xiàn)不同的端電壓，以滿足不同的負(fù)載啟動特性。電動機(jī)啟動過程中，晶閘管的導(dǎo)通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機(jī)從零開始加速，直到晶閘管全導(dǎo)通，從而實現(xiàn)電動機(jī)的無級平滑啟動。電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上。電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流的大值可根據(jù)負(fù)載情況設(shè)定。

 

    軟啟動器常用的幾種啟動方式：

 

    1、限流啟動 電機(jī)的啟動過程中限制其啟動電流不超過某一設(shè)定值（Is）的軟啟動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)置的電流限值Is，然后保持輸出電流I<Is的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。這種啟動方式的優(yōu)點是啟動電流小，且可按需要調(diào)整。對電網(wǎng)影響小，其缺點是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間。損失啟動力矩，對電動機(jī)不利。

 

    2、斜坡電壓啟動 這種啟動方式簡單，不具備電流閉環(huán)控制，僅調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角，使之與時間成一定函數(shù)關(guān)系增加。顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統(tǒng)的降壓啟動從有級變成了無級，主要用在重載啟動，它的缺點是初始轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性拋物線型上升對拖動系統(tǒng)不利，且啟動時間長有損于電機(jī)。

 

    3、轉(zhuǎn)矩控制啟動 用在重載啟動，它是將電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點是啟動平滑，柔性好，對拖動系統(tǒng)有更好的保護(hù)，它的目的是保護(hù)拖動系統(tǒng)，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。同時降低電機(jī)啟動時對電網(wǎng)的沖擊，是優(yōu)的重載啟動方式，它的缺點是啟動時間較長。

 

    4、 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動與轉(zhuǎn)矩控制啟動 相仿也是用在重載啟動，不同的是在啟動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服電機(jī)靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短啟動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，應(yīng)用時要特別注意。

 

    5、 電壓控制啟動是用在輕載啟動的場合，在保證啟動壓降下發(fā)揮電動機(jī)的大啟動轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短了啟動時間，是優(yōu)的輕載軟啟動方式。

 

    綜上所述不難看出，適用先進(jìn)的啟動方式應(yīng)是電壓控制啟動和轉(zhuǎn)矩控制啟動及轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動。目前的軟啟動器多是限電流啟動和斜波電壓啟動，它是原始低級簡單的啟動方式，還有的是限流啟動和轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動。唯有電壓控制和純轉(zhuǎn)矩控制及轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動較為先進(jìn)。

 

    常用停機(jī)方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。

 

    1、 自由停車 傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。即慣性停車（斷電自停）；

 

    2、軟停車 電動機(jī)停機(jī)時，軟啟動器將額定電壓按軟停車設(shè)定的時間緩慢降至起始電壓Us后停止輸出的一種停車方式，它可以消除了由于自由停車帶來的拖動系統(tǒng)反慣性沖擊。

 

    如皮帶運(yùn)輸機(jī)、升降機(jī)等許多負(fù)荷并不宜突然停機(jī)，軟停車功能正好能滿足此要求。晶閘管在收到軟停機(jī)信號后，導(dǎo)通角漸減，經(jīng)一定時間才過渡到全關(guān)，即電動機(jī)端電壓漸減至零。停車時間可按實際需要設(shè)定。

 

    3、制動停車 向電機(jī)輸入直流電流，從而加快制動，制動時間可調(diào)，主要用于慣性力矩大的負(fù)載或需快速停機(jī)的場合，在一定的場合代替了反接制動停車。

 

    四、軟啟動器的選型及注意事項

 

    目前軟啟動器的生產(chǎn)廠家很多，有進(jìn)口也有國產(chǎn)的，原理基本相同。軟啟動器是一種新型的、性能優(yōu)良的啟動裝置，它結(jié)合了電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微處理器技術(shù)，與傳統(tǒng)啟動設(shè)備相比，具備完善的電機(jī)軟啟動和軟停車功能，可保證電機(jī)連續(xù)而平滑的啟動，消除了機(jī)械沖擊和大電流沖擊，有效的延長了電機(jī)的壽命和保護(hù)了用電線路和負(fù)載。目前在市場上有影響力的基本上都是國外產(chǎn)品，如施耐德的TE、羅克韋爾的A-B、ABB、西門子的產(chǎn)品等。

 

    供熱企業(yè)在選用軟啟動器時應(yīng)主要考慮以下問題：

 

    1、選擇軟啟動器注意負(fù)載是標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載還是重載負(fù)載。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)的不同來選擇不同類型的啟動器。

 

    (1)如果負(fù)載是離心泵(補(bǔ)水泵、循環(huán)泵等)，則需利用泵控制功能，減少啟動和停止時液流沖擊所產(chǎn)生的系統(tǒng)水錘現(xiàn)象的發(fā)生，所以必須選用帶泵控制功能的軟啟動器，如果帶過載保護(hù)或欠壓保護(hù)的則更好；

 

    (2)具有通訊端口可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊與遠(yuǎn)程控制。若有計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)要求，在選擇軟啟動器時注意它的智能化程度，是否帶微機(jī)接口，接口是否帶有通訊地址和程序，是否能達(dá)到通訊控制以及故障自珍診斷功能等。

 

    2、根據(jù)電動機(jī)的標(biāo)稱功率、電流及負(fù)載性質(zhì)選擇啟動器。一般軟啟動器容量稍大于電動機(jī)工作電流即可。

 

    3、其他方面，還要考慮是否保護(hù)功能完備

 

    (1) 如過電流保護(hù)、過壓保護(hù)、單項接地保護(hù)、上下口斷相保護(hù)、三相不平衡保護(hù)、相位顛倒保護(hù)等。不帶過載保護(hù)的，必須另加熱繼電器保護(hù)。

 

    (2) 有的軟啟動器一般不帶短路保護(hù)，需外加快速熔斷器并與晶閘管容量匹配，它能使晶閘管在連接負(fù)載發(fā)生短路時受到保護(hù)，低壓斷路器一般不能保護(hù)軟啟動器。進(jìn)線電抗器可限制主電源的諧波干擾，當(dāng)幾臺啟動器接于同一電源時建議使用進(jìn)線電抗器。

 

    (3) 軟啟動器至電動機(jī)的接線要特別注意，大部分是3根出線，但部分產(chǎn)品也有6根出線的。軟啟動器可安裝在有功率因素補(bǔ)償器的系統(tǒng)中，但電容器必須位于軟啟動器的電源進(jìn)線一側(cè)，以避免電容器放電損壞軟啟動器的晶閘管，另外在電源和電容之間接入電感線圈。軟啟動器大多帶正常運(yùn)行和故障信號輔助觸點，供工程設(shè)計選用。

 

    (4) 軟啟動器允許長期在額定負(fù)載工況下運(yùn)行，可以用旁路接觸器，在啟動完畢后把它短接。切除后要注意電動機(jī)運(yùn)行回路是否還有過載熱保護(hù)功能。在實際應(yīng)用過程中，若工藝條件許可，用一臺軟啟動器啟動多臺電動機(jī)時，其容量應(yīng)根據(jù)電動機(jī)中大的啟動負(fù)荷考慮，可大大節(jié)省投資費(fèi)用。

 

    (5) 機(jī)柜內(nèi)安裝軟啟動器時要考慮散熱空間。軟啟動器在通過電流時將會產(chǎn)生熱耗散，安裝時應(yīng)注意在其上、下方留出一定空間，軟啟動器正上方不能放電器元件，以使空氣能流過其功率模塊。當(dāng)軟啟動器額定電流較大時，要采用風(fēng)機(jī)降溫，風(fēng)機(jī)的電源可取自電機(jī)控制系統(tǒng)的二次回路。機(jī)械風(fēng)冷的還要考慮傾斜度等。自然風(fēng)冷的無此要求。運(yùn)行方式分在線型和非在線型，選型時盡量選用非在線型。

 

    (6) 參數(shù)測試功能

 

    部分品牌軟啟動器還帶有參數(shù)顯示窗口，可以通過按鍵在顯示窗口選擇顯示電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如三相電壓值、三相電流值、功率因數(shù)、運(yùn)行時間等，而無需增加任何儀表，此功能可使用戶很方便地查詢電機(jī)在運(yùn)行過程中的各種參數(shù)。

 

    五、結(jié)束語

 

    綜上所述，軟啟動器的應(yīng)用可以解決以往電機(jī)啟動中的問題，在供熱行業(yè)，籠型異步電動機(jī)凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可使用，特別適用于需要軟啟動與軟停車的各種泵類負(fù)載或風(fēng)機(jī)類負(fù)載；對于變負(fù)載工況，電動機(jī)長期處于輕載運(yùn)行，只有短時或瞬間處于滿負(fù)荷運(yùn)行的場合，應(yīng)用軟啟動器（不帶旁路接觸器）則具有輕載節(jié)能效果。在供熱工程設(shè)計和工程改造中，要想改善工藝提高自動化水平，降低成本提高企業(yè)效益，對電動機(jī)的啟動就必須首先采用先進(jìn)的啟動設(shè)備——電機(jī)軟啟動器。正是因為軟啟動器有多種的控制方式，以及控制方式的靈活性和可靠性，受到用戶的歡迎， 具有廣泛的應(yīng)用前景，它已在供熱企業(yè)得到越來越廣泛的使用。

 

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