襄陽源創電氣小王告訴我們:軟啟動器作為節能控制器于上世紀90年代初開始在國內大量推廣，經過多年實踐證明晶閘管軟啟動器優于傳統的自耦式補償器，隨著國產化的推進傳統的自耦式補償器將被逐步淘汰。

 

    關鍵詞：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電器專利，初期稱為“功率因數控制器”，此后又有許多公司和個人開發了十幾種節電器。1982年FrankNole又作了二點改進，一是省掉取樣電阻而改為監視晶閘管兩端電壓，二是采取了反饋控制技術，使空載時電動機電壓進一步減小，節電率大大提高，正式定名為“節電器”（POWERSAVER）。我國也開發了節電器，但實際使用效果不佳，未能廣泛推廣使用。1983年后，上海市相繼引進了一系列的節電器產品，在對引進的節電器消化吸收的基礎上，上海，西安等地研制出了新型節電器，其性能達到并超過引進的同類產品，為進一步推廣節電器創造了條件，國內市場上從上世紀90年代開始把軟啟品在國內大量推廣。

 

    二、電動機啟動的現狀

 

    三相鼠籠型異步電動機因其具有結構簡單、運行可靠、維修方便、慣性小、價格便宜等諸多優點，在供熱系統中作為電能轉化為機械能的主要動力設備而被廣泛采用。但由于其啟動電流大，對電網和工作機械（如水泵、逆止閥、管網等）的沖擊力都很大，因而在啟動過程中必須采取一些技術措施對啟動電流和沖擊力（啟動電磁轉矩）加以合理而有效的控制，實現比較穩定的啟動，從而改善系統設備工況，有效延長系統壽命，減少故障率的發生。

 

    異步電動機的啟動，一直為業內人士所關注。異步電動機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，就是將處于靜止狀態的電動機直接加上額定電壓，使電動機在額定電壓作用下直接完成啟動過程。直接啟動轉矩大，啟動時間短，啟動控制方式簡單，設備投資少，因此在中小型電動機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，主要表現在下列三個方面：

 

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

 

    （2）直接啟動會使被拖動的工作機械受到機械性沖擊，對于水泵性負載來說，過高的啟動轉矩對葉片、軸承、逆止閥等造成軟性損傷（機械變形、疲勞性老化）及硬性損傷（裂紋、斷裂等）是較為常見的，甚至會因水流對管道的沖擊力（及反作用力）過大而產生嚴重的水錘效應損壞設備。

 

    （3）直接啟動要求供電變壓器容量較大，而在供熱循環系統中多臺循環泵同時運行的情況下，所選用的變壓器容量要比較大，因此不允許直接啟動電機。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，即降低電動機端電壓進行啟動。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構簡單、成本低的一種，然而它的性能受到限制，主要表現在：

 

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

 

    （2）當啟動器從星形接法切換到三角形接法時，通常會出現較大的電流和轉矩變動。這將引起機械和電氣應力，導致經常性故障的發生。

 

    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（分級轉換時產生）引起較大的電流和轉矩變動，將引起機械和電氣應力，會導致機械、電氣經常性故障的發生。

 

    （2）有限的輸出電壓種類（啟動電壓分接頭數量有限），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行降壓啟動，它控制的電機參數為電壓而非電流，所以當電網電壓波動及負載變化（循環系統流量和壓力變化較大）時，啟動電流曲線將顯著偏離設計理想曲線，從而惡化啟動性能，設備在較差的工況下將大大縮短使用壽命，增加維護成本。

 

    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，雖然可以通過轉換分接頭來進行分級啟動，但當級數較多時，勢必增加控制系統的復雜性，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，加在電動機定子繞組上的電壓、電流等主要電量參數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長時間冷卻過程。

 

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

 

    （4）在負載大小經常變化的場合（循環系統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，傳統的降壓啟動設備均有諸多性能限制和使用限制，越來越難以適應不斷的電動機復雜使用場合的啟動需要。 隨著電力電子技術的發展，軟啟動器作為一個新型電動機啟動裝置可以克服以上缺點，它是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多功能保護于一體的新穎電機控制裝置。目前，供熱企業籠型異步電機的降壓啟動設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

 

    軟啟動技術是在晶閘管斬波技術的基礎上發展起來的，利用晶閘管斬波技術進行工頻電壓調節。在50Hz正弦波每個半周內固定時間（過零延時t1）給晶閘管VT1門極以一個觸發脈沖，則根據晶閘管特性，在觸發脈沖結束后，晶閘管將在半周內剩余時間維持導通,直至電壓再次過零，這樣只要調節VT1觸發脈沖出現的時間，則輸出電壓u0將會在0～100％輸入電壓（ui）內得到調節。如果將晶閘管斬波調壓技術應用于三相電源，再加入技術如單片機控制技術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的啟動上得以應用。

 

    軟啟動電動機時的電壓、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一個初始電壓Ust（Ust一般在10％～60％Ue間自由調整）并在用戶設定的啟動時間Tst（Tst一般在1～60s范圍內自由設定）內將負載電壓均勻上升到電動機額定電壓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內自由設定）。從圖1可以看出電動機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之間三對反并聯晶閘管調壓電路構成。現代軟啟動器基本上都采用了電力電子技術和微機控制技術，以單片微機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的功能和靈活性。整個啟動過程是數字化程序軟件控制下自動進行。利用三對晶閘管的電子開關特性，通過啟動器中的單片機，控制其觸發脈沖的遲早來改變觸發角的大小。而觸發導通角的大小，又改變晶閘管的導通時間，終改變加到定子繞組的三相電壓的大小。異步電動機定子調壓的結果，一方面其轉矩近似與定子電壓的平方成正比，另一方面電動機的電流又和定子電壓成正比。電動機的啟動轉矩和初始電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現不同的端電壓，以滿足不同的負載啟動特性。電動機啟動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現電動機的無級平滑啟動。電動機工作在額定電壓的機械特性上。電動機的啟動轉矩和啟動電流的大值可根據負載情況設定。

 

    軟啟動器常用的幾種啟動方式：

 

    1、限流啟動 電機的啟動過程中限制其啟動電流不超過某一設定值（Is）的軟啟動方式。其輸出電壓從零開始迅速增長，直到輸出電流達到預先設置的電流限值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。使電機轉速逐漸升高，直到額定轉速。這種啟動方式的優點是啟動電流小，且可按需要調整。對電網影響小，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，對電動機不利。

 

    2、斜坡電壓啟動 這種啟動方式簡單，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。顧名思義是電壓由小到大斜坡線性上升，它是將傳統的降壓啟動從有級變成了無級，主要用在重載啟動，它的缺點是初始轉矩小，轉矩特性拋物線型上升對拖動系統不利，且啟動時間長有損于電機。

 

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

 

    4、 轉矩加突跳控制啟動與轉矩控制啟動 相仿也是用在重載啟動，不同的是在啟動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜轉矩，然后轉矩平滑上升，縮短啟動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負荷，應用時要特別注意。

 

    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揮電動機的大啟動轉矩，盡可能的縮短了啟動時間，是優的輕載軟啟動方式。

 

    綜上所述不難看出，適用先進的啟動方式應是電壓控制啟動和轉矩控制啟動及轉矩加突跳控制啟動。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矩加突跳控制啟動。唯有電壓控制和純轉矩控制及轉矩加突跳控制啟動較為先進。

 

    常用停機方式有三種：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 電動機停機時，軟啟動器將額定電壓按軟停車設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反慣性沖擊。

 

    如皮帶運輸機、升降機等許多負荷并不宜突然停機，軟停車功能正好能滿足此要求。晶閘管在收到軟停機信號后，導通角漸減，經一定時間才過渡到全關，即電動機端電壓漸減至零。停車時間可按實際需要設定。

 

    3、制動停車 向電機輸入直流電流，從而加快制動，制動時間可調，主要用于慣性力矩大的負載或需快速停機的場合，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廠家很多，有進口也有國產的，原理基本相同。軟啟動器是一種新型的、性能優良的啟動裝置，它結合了電力電子技術、自動控制技術和微處理器技術，與傳統啟動設備相比，具備完善的電機軟啟動和軟停車功能，可保證電機連續而平滑的啟動，消除了機械沖擊和大電流沖擊，有效的延長了電機的壽命和保護了用電線路和負載。目前在市場上有影響力的基本上都是國外產品，如施耐德的TE、羅克韋爾的A-B、ABB、西門子的產品等。

 

    供熱企業在選用軟啟動器時應主要考慮以下問題：

 

    1、選擇軟啟動器注意負載是標準負載還是重載負載。根據負載性質的不同來選擇不同類型的啟動器。

 

    (1)如果負載是離心泵(補水泵、循環泵等)，則需利用泵控制功能，減少啟動和停止時液流沖擊所產生的系統水錘現象的發生，所以必須選用帶泵控制功能的軟啟動器，如果帶過載保護或欠壓保護的則更好；

 

    (2)具有通訊端口可實現網絡通訊與遠程控制。若有計算機聯網要求，在選擇軟啟動器時注意它的智能化程度，是否帶微機接口，接口是否帶有通訊地址和程序，是否能達到通訊控制以及故障自珍診斷功能等。

 

    2、根據電動機的標稱功率、電流及負載性質選擇啟動器。一般軟啟動器容量稍大于電動機工作電流即可。

 

    3、其他方面，還要考慮是否保護功能完備

 

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

 

    (2) 有的軟啟動器一般不帶短路保護，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載發生短路時受到保護，低壓斷路器一般不能保護軟啟動器。進線電抗器可限制主電源的諧波干擾，當幾臺啟動器接于同一電源時建議使用進線電抗器。

 

    (3) 軟啟動器至電動機的接線要特別注意，大部分是3根出線，但部分產品也有6根出線的。軟啟動器可安裝在有功率因素補償器的系統中，但電容器必須位于軟啟動器的電源進線一側，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行和故障信號輔助觸點，供工程設計選用。

 

    (4) 軟啟動器允許長期在額定負載工況下運行，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運行回路是否還有過載熱保護功能。在實際應用過程中，若工藝條件許可，用一臺軟啟動器啟動多臺電動機時，其容量應根據電動機中大的啟動負荷考慮，可大大節省投資費用。

 

    (5) 機柜內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生熱耗散，安裝時應注意在其上、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。當軟啟動器額定電流較大時，要采用風機降溫，風機的電源可取自電機控制系統的二次回路。機械風冷的還要考慮傾斜度等。自然風冷的無此要求。運行方式分在線型和非在線型，選型時盡量選用非在線型。

 

    (6) 參數測試功能

 

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

 

    五、結束語

 

    綜上所述，軟啟動器的應用可以解決以往電機啟動中的問題，在供熱行業，籠型異步電動機凡不需要調速的各種應用場合都可使用，特別適用于需要軟啟動與軟停車的各種泵類負載或風機類負載；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滿負荷運行的場合，應用軟啟動器（不帶旁路接觸器）則具有輕載節能效果。在供熱工程設計和工程改造中，要想改善工藝提高自動化水平，降低成本提高企業效益，對電動機的啟動就必須首先采用先進的啟動設備——電機軟啟動器。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， 具有廣泛的應用前景，它已在供熱企業得到越來越廣泛的使用。

 

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