襄阳源创电气小王告诉我们:软启动器作为节能控制器于上世纪90年代初开始在国内大量推广，经过多年实践证明晶闸管软启动器优于传统的自耦式补偿器，随着国产化的推进传统的自耦式补偿器将被逐步淘汰。

 

    关键词：软启动

 

    一、引言

 

    1977年美国航空航天局(NASA)FrankNole工程师获得了一项节电器专利，初期称为“功率因数控制器”，此后又有许多公司和个人开发了十几种节电器。1982年FrankNole又作了二点改进，一是省掉取样电阻而改为监视晶闸管两端电压，二是采取了反馈控制技术，使空载时电动机电压进一步减小，节电率大大提高，正式定名为“节电器”（POWERSAVER）。我国也开发了节电器，但实际使用效果不佳，未能广泛推广使用。1983年后，上海市相继引进了一系列的节电器产品，在对引进的节电器消化吸收的基础上，上海，西安等地研制出了新型节电器，其性能达到并超过引进的同类产品，为进一步推广节电器创造了条件，国内市场上从上世纪90年代开始把软启品在国内大量推广。

 

    二、电动机启动的现状

 

    三相鼠笼型异步电动机因其具有结构简单、运行可靠、维修方便、惯性小、价格便宜等诸多优点，在供热系统中作为电能转化为机械能的主要动力设备而被广泛采用。但由于其启动电流大，对电网和工作机械（如水泵、逆止阀、管网等）的冲击力都很大，因而在启动过程中必须采取一些技术措施对启动电流和冲击力（启动电磁转矩）加以合理而有效的控制，实现比较稳定的启动，从而改善系统设备工况，有效延长系统寿命，减少故障率的发生。

 

    异步电动机的启动，一直为业内人士所关注。异步电动机的启动方式从原理上讲只有两种：直接启动和降压启动。直接启动，就是将处于静止状态的电动机直接加上额定电压，使电动机在额定电压作用下直接完成启动过程。直接启动转矩大，启动时间短，启动控制方式简单，设备投资少，因此在中小型电动机的启动上得到广泛的采用。但直接启动方式也受到许多限制，主要表现在下列三个方面：

 

    （1）启动电流可大到电动机额定电流的4～7倍，部分国产电动机的启动电流实际测量甚至高达8～12倍。如果直接启动较大的电动机，过大的启动电流将造成电网电压显著下降，影响同一电网其它电气设备的正常运行，严重时将使部分设备因电压过低而退出运行，甚至使电力线路继电保护装置过流保护动作而跳闸，使线路供电中断。

 

    （2）直接启动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对于水泵性负载来说，过高的启动转矩对叶片、轴承、逆止阀等造成软性损伤（机械变形、疲劳性老化）及硬性损伤（裂纹、断裂等）是较为常见的，甚至会因水流对管道的冲击力（及反作用力）过大而产生严重的水锤效应损坏设备。

 

    （3）直接启动要求供电变压器容量较大，而在供热循环系统中多台循环泵同时运行的情况下，所选用的变压器容量要比较大，因此不允许直接启动电机。在不允许直接启动的情况下，就要采用降压启动的启动方式，即降低电动机端电压进行启动。降压启动一般有星／三角启动，定子电路中串接电阻、电抗器启动，自耦变压器降压启动及本文推荐的软启动等。

 

    星形／三角形启动器是降压启动器中结构最简单、成本最低的一种，然而它的性能受到限制，主要表现在：

 

    （1）无法控制电流和转矩下降程度，这些值是固定的，为额定值的1／3。

 

    （2）当启动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的电流和转矩变动。这将引起机械和电气应力，导致经常性故障的发生。

 

    自耦变压器式启动器比星形／三角形启动器提供了更多的控制手段，可以通过变压器抽头改变I段启动电压（典型为65％和80％两挡启动分接头）。然而它的电压是分级升高的，所以其性能受如下限制：

 

    （1）电压的阶跃性变化（分级转换时产生）引起较大的电流和转矩变动，将引起机械和电气应力，会导致机械、电气经常性故障的发生。

 

    （2）有限的输出电压种类（启动电压分接头数量有限），限制了理想启动电流的选择。因为自耦变压器式启动器控制是使用较额定电压低的电压级别进行降压启动，它控制的电机参数为电压而非电流，所以当电网电压波动及负载变化（循环系统流量和压力变化较大）时，启动电流曲线将显著偏离设计理想曲线，从而恶化启动性能，设备在较差的工况下将大大缩短使用寿命，增加维护成本。

 

    电阻式启动器也能提供比星形／三角形启动器更好的启动控制。然而它同样有一些性能、使用上的限制，包括：

 

    （1）启动特性很难优化。原因是制造启动器时电阻值是确定的，在使用中很难改变，虽然可以通过转换分接头来进行分级启动，但当级数较多时，势必增加控制系统的复杂性，而制造成本、故障率也将随之大幅度提高，所以一般电阻式启动器均在2～5级间。这样，加在电动机定子绕组上的电压、电流等主要电量参数在分级启动时仍有很大的波动。

 

    （2）频繁启动场合下的启动特性不好。原因是在启动过程中电阻值会随着电阻的温度变化，在停止到再启动过程中需经长时间冷却过程。

 

    （3）负载较大或启动时间较长的场合下的运行特性变坏，原因是电阻值随着电阻器温度的变化而变化。

 

    （4）在负载大小经常变化的场合（循环系统流量和压力变化较大），电阻式启动器不能提供理想的启动效果。

 

    综上所述，传统的降压启动设备均有诸多性能限制和使用限制，越来越难以适应不断的电动机复杂使用场合的启动需要。 随着电力电子技术的发展，软启动器作为一个新型电动机启动装置可以克服以上缺点，它是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置。目前，供热企业笼型异步电机的降压启动设备正逐步被软启动器取代。

 

    三、软启动器的工作原理及主要特点

 

    软启动技术是在晶闸管斩波技术的基础上发展起来的，利用晶闸管斩波技术进行工频电压调节。在50Hz正弦波每个半周内固定时间（过零延时t1）给晶闸管VT1门极以一个触发脉冲，则根据晶闸管特性，在触发脉冲结束后，晶闸管将在半周内剩余时间维持导通,直至电压再次过零，这样只要调节VT1触发脉冲出现的时间，则输出电压u0将会在0～100％输入电压（ui）内得到调节。如果将晶闸管斩波调压技术应用于三相电源，再加入技术如单片机控制技术等即可制成软启动器，从而在大型三相鼠笼式交流异步电动机的启动上得以应用。

 

    软启动电动机时的电压、电流特性曲线见图1。

 

    从电压特性曲线u＝f（t）可以看出，从启动开始软启动器给交流异步电动机一个初始电压Ust（Ust一般在10％～60％Ue间自由调整）并在用户设定的启动时间Tst（Tst一般在1～60s范围内自由设定）内将负载电压均匀上升到电动机额定电压Un。由于软启动器自身特有的限流功能，启动电流在启动期间始终不超过启动限制电流Is（Is一般在2～5Ie内自由设定）。从图1可以看出电动机软启动时无论在电流曲线还是电压曲线上，均已将电流冲击及机械性冲击减小到最低的程度。

 

    软启动器是利用串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构成。现代软启动器基本上都采用了电力电子技术和微机控制技术，以单片微机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，因此，软启动器具备了很强的功能和灵活性。整个启动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶闸管的电子开关特性，通过启动器中的单片机，控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小，又改变晶闸管的导通时间，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结果，一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比，另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。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，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，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。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，从而实现电动机的无级平滑启动。电动机工作在额定电压的机械特性上。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。

 

    软启动器常用的几种启动方式：

 

    1、限流启动 电机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值（Is）的软启动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设置的电流限值Is，然后保持输出电流I<Is的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。使电机转速逐渐升高，直到额定转速。这种启动方式的优点是启动电流小，且可按需要调整。对电网影响小，其缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间。损失启动力矩，对电动机不利。

 

    2、斜坡电压启动 这种启动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。顾名思义是电压由小到大斜坡线性上升，它是将传统的降压启动从有级变成了无级，主要用在重载启动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且启动时间长有损于电机。

 

    3、转矩控制启动 用在重载启动，它是将电动机的启动转矩由小到大线性上升，它的优点是启动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖动系统，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机启动时对电网的冲击，是最优的重载启动方式，它的缺点是启动时间较长。

 

    4、 转矩加突跳控制启动与转矩控制启动 相仿也是用在重载启动，不同的是在启动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，然后转矩平滑上升，缩短启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。

 

    5、 电压控制启动是用在轻载启动的场合，在保证启动压降下发挥电动机的最大启动转矩，尽可能的缩短了启动时间，是最优的轻载软启动方式。

 

    综上所述不难看出，最适用最先进的启动方式应是电压控制启动和转矩控制启动及转矩加突跳控制启动。目前的软启动器多是限电流启动和斜波电压启动，它是最原始最低级最简单的启动方式，还有的是限流启动和转矩加突跳控制启动。唯有电压控制和纯转矩控制及转矩加突跳控制启动较为先进。

 

    常用停机方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。

 

    1、 自由停车 传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。即惯性停车（断电自停）；

 

    2、软停车 电动机停机时，软启动器将额定电压按软停车设定的时间缓慢降至起始电压Us后停止输出的一种停车方式，它可以消除了由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击。

 

    如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机，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，导通角渐减，经一定时间才过渡到全关，即电动机端电压渐减至零。停车时间可按实际需要设定。

 

    3、制动停车 向电机输入直流电流，从而加快制动，制动时间可调，主要用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合，在一定的场合代替了反接制动停车。

 

    四、软启动器的选型及注意事项

 

    目前软启动器的生产厂家很多，有进口也有国产的，原理基本相同。软启动器是一种新型的、性能优良的启动装置，它结合了电力电子技术、自动控制技术和微处理器技术，与传统启动设备相比，具备完善的电机软启动和软停车功能，可保证电机连续而平滑的启动，消除了机械冲击和大电流冲击，有效的延长了电机的寿命和保护了用电线路和负载。目前在市场上有影响力的基本上都是国外产品，如施耐德的TE、罗克韦尔的A-B、ABB、西门子的产品等。

 

    供热企业在选用软启动器时应主要考虑以下问题：

 

    1、选择软启动器注意负载是标准负载还是重载负载。根据负载性质的不同来选择不同类型的启动器。

 

    (1)如果负载是离心泵(补水泵、循环泵等)，则需利用泵控制功能，减少启动和停止时液流冲击所产生的系统水锤现象的发生，所以必须选用带泵控制功能的软启动器，如果带过载保护或欠压保护的则更好；

 

    (2)具有通讯端口可实现网络通讯与远程控制。若有计算机联网要求，在选择软启动器时注意它的智能化程度，是否带微机接口，接口是否带有通讯地址和程序，是否能达到通讯控制以及故障自珍诊断功能等。

 

    2、根据电动机的标称功率、电流及负载性质选择启动器。一般软启动器容量稍大于电动机工作电流即可。

 

    3、其他方面，还要考虑是否保护功能完备

 

    (1) 如过电流保护、过压保护、单项接地保护、上下口断相保护、三相不平衡保护、相位颠倒保护等。不带过载保护的，必须另加热继电器保护。

 

    (2) 有的软启动器一般不带短路保护，需外加快速熔断器并与晶闸管容量匹配，它能使晶闸管在连接负载发生短路时受到保护，低压断路器一般不能保护软启动器。进线电抗器可限制主电源的谐波干扰，当几台启动器接于同一电源时建议使用进线电抗器。

 

    (3) 软启动器至电动机的接线要特别注意，大部分是3根出线，但部分产品也有6根出线的。软启动器可安装在有功率因素补偿器的系统中，但电容器必须位于软启动器的电源进线一侧，以避免电容器放电损坏软启动器的晶闸管，另外在电源和电容之间接入电感线圈。软启动器大多带正常运行和故障信号辅助触点，供工程设计选用。

 

    (4) 软启动器允许长期在额定负载工况下运行，可以用旁路接触器，在启动完毕后把它短接。切除后要注意电动机运行回路是否还有过载热保护功能。在实际应用过程中，若工艺条件许可，用一台软启动器启动多台电动机时，其容量应根据电动机中最大的启动负荷考虑，可大大节省投资费用。

 

    (5) 机柜内安装软启动器时要考虑散热空间。软启动器在通过电流时将会产生热耗散，安装时应注意在其上、下方留出一定空间，软启动器正上方不能放电器元件，以使空气能流过其功率模块。当软启动器额定电流较大时，要采用风机降温，风机的电源可取自电机控制系统的二次回路。机械风冷的还要考虑倾斜度等。自然风冷的无此要求。运行方式分在线型和非在线型，选型时尽量选用非在线型。

 

    (6) 参数测试功能

 

    部分品牌软启动器还带有参数显示窗口，可以通过按键在显示窗口选择显示电机的运行参数，如三相电压值、三相电流值、功率因数、运行时间等，而无需增加任何仪表，此功能可使用户很方便地查询电机在运行过程中的各种参数。

 

    五、结束语

 

    综上所述，软启动器的应用可以解决以往电机启动中的问题，在供热行业，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用，特别适用于需要软启动与软停车的各种泵类负载或风机类负载；对于变负载工况，电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行的场合，应用软启动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能效果。在供热工程设计和工程改造中，要想改善工艺提高自动化水平，降低成本提高企业效益，对电动机的启动就必须首先采用先进的启动设备——电机软启动器。正是因为软启动器有多种的控制方式，以及控制方式的灵活性和可靠性，受到用户的欢迎， 具有广泛的应用前景，它已在供热企业得到越来越广泛的使用。

 

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