軟起動器功能特性與應用

郭 強

(浙江工商大學 環(huán)保設計研究院， 浙江 杭州 310005)

0 引 言

智能型軟起動器利用高性能數(shù)字信號處理芯片控制三對雙向反向并聯(lián)晶閘管的導通角，逐步增加起動過程中異步電動機的端電壓，限制起動電流實現(xiàn)節(jié)能。

我國工業(yè)及民用中大量使用籠型異步電動機，用電量非常巨大，因而降低電動機的能耗是節(jié)能減排的重要措施。

降低電動機的能耗特別是起動、停止過程中的能耗，目前選用4類智能控制器： (1) 早期適用于功率在100kW以下異步電動機，主要利用“星-三角”(Y—△)起動，起動電流可限制在3倍額定電流以下，也采用一次回路串電阻起動和自耦變壓器起動；(2) 智能型軟起動器，其可有效控制和調節(jié)起動電流，適用于功率在1.5～800kW的異步電動機；(3) 適用頻繁調速的變頻控制器，其節(jié)能效果更好，但價格較高，一般用于電機須調速的場合；(4) 近年發(fā)展起來的控制與保護開關電器(Control and Protective Switching Device, CPS)，其適用于55kW以下的三相異步電動機，將斷路器、接觸器、電動機保護器等諸多功能結構集成于一體，使其性價比更高，但因功率較小，使其使用范圍不夠廣泛。近年來，國家對環(huán)保治理的要求和投入明顯加強，大功率水泵、風機等設備已被廣泛采用。在環(huán)保治理過程中，設備的調整、切換較頻繁，因而在這一領域推廣使用智能型軟起動設備，具有更大的經濟和社會效益。

1 軟起動器的工作原理

由于異步電動機直接起動時其電流可達額定電流的7～8倍，早期的電動機保護器采用“Y—△”和串自耦變壓器等方式降壓起動，但其起動電流無法調整，特別是在大功率電機起動時，對局部電網(wǎng)的影響較大。軟起動器的原理也是降壓起動，其起動和停止時的電流可控、可調，從而使電網(wǎng)的運行更安全。軟起動器利用可控性晶閘管，將三對反向并聯(lián)的晶閘管串接到電動機的三相供電電路上，控制晶閘管觸發(fā)極的時序，逐步增大其導通角，從而控制輸出給電動機的端電壓大小，達到減小起動電流，減小對電機和軸上機械沖擊的目的。當電動機起動結束時，DSP控制繼電器、接觸器，由接觸器的觸點短接晶閘管，使電動機在額定電流、額定電壓、額定轉速下運轉。晶閘管只在軟起動、軟停車時使用，正常運行由接觸器實現(xiàn)。軟起動器的原理如圖1所示。圖1中，CT1、CT2、CT3為精密電流測量互感器；PT1、PT2、PT3為2mA/2mA電壓型電流測量互感器；K1-1、K1-2、K1-3為接觸器K的三組常開觸點。

圖1 軟起動器原理圖

2 軟起動器的起動特性

軟起動器的起動控制有“電壓/電流”控制和“轉矩/速度”控制兩種類型，前者又有電壓斜坡起動、電流限幅起動、沖擊脈沖起動三種形式；后者具有更小的起動電流和能耗。

2.1 “電壓/電流”控制起動型

2.1.1 電壓斜坡起動

電壓斜坡起動適用于輕載電動機，有單速率斜坡起動、雙速率斜坡起動、單速加突跳起動三種。

單速率斜坡起動是以一個起始電壓U0(一般取額定電壓的30%～70%)和某一端電壓增加速率起動電動機。起動過程按確定的速率改變晶閘管的導通角，逐步增加到電壓零點附近，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成起動。

雙速率斜坡起動，從起始電壓U0開始以較低速率v1增大晶閘管導通角，后一階段以較高速率v2增大晶閘管導通角，實現(xiàn)端電壓以較高速率接近電機額定電壓，最后接通接觸器，晶閘管退出工作而完成電機起動。

單速加突跳起動是以起始電壓U0和較高速率增大晶閘管導通角，在端電壓接近電機額定電壓時，以突跳方式全導通晶閘管增加到電動機的額定電壓，然后接通接觸器，晶閘管退出工作，完成電機起動。

這3種起動方式根據(jù)實際需要，起動電流可限在2～4倍電動機額定運行電流；起動時間可隨意調整，一般設為1～30s、1～60s、1～120s。

2.1.2 電流限幅起動

該起動方式根據(jù)負載輕重可設定最大限止電流IM為2～5倍額定運行電流，負載重時設大些，輕時設小些，控制較簡單。電機起動后，反電動勢隨轉速增加而增加，起動電流逐步減小。當采樣電流有效值IIM時，暫停改變導通角，起動電流隨轉速增加而減小。根據(jù)A/D檢測精度，該方式須設電流檢測誤差帶，在誤差帶內不控制，否則會引起振蕩。起動時間可設為： 1～30s、1～60s、1～120s。電流限幅起動也適用于輕載電動機。

2.1.3 沖擊起動

沖擊起動用于機械慣性較大的重負載，如球磨機、電纜絞線機等。該起動在0.1～1.5s時間內加一個沖擊起動電壓U，然后降到起始電壓U0，再以單速率增加到額定電壓。根據(jù)負載慣性的大小，沖擊起動的電壓可在額定電壓的(50%～100%)內調節(jié)，沖擊的脈沖寬度可在0.1～1.5s內調節(jié)。

2.2 “轉矩/速度”控制起動型

該方式是將電動機的起動轉矩從小到大線性上升，故起動平滑，主要用于重載起動。

2.3 軟起動器起動過程的波形圖

電機是一感性元件，電流滯后于電壓一個功率因數(shù)角φ。φ剛起動時較大，結束時較小，起動過程中是變化的。晶閘管觸發(fā)角α起始為 120°～150°。晶閘管導通角θ=π-α+φ。晶閘管的導通角θ、觸發(fā)角α、功率因數(shù)角φ的關系如圖2所示。

圖2 晶閘管導通θ、觸發(fā)角α、功率因數(shù)角φ的關系

二對極異步電動機在起動過程中的轉速n與功率因數(shù)角φ的關系如圖3所示。同步轉速為1500r/min，異步轉速為1450r/min。起動時，φ=58°，cosφ=0.53；異步轉速時，φ≈30°，cosφ≈0.866?？梢姰惒诫姍C起動過程的效率很低。因而在電機應用較多的場合，使用功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)和動態(tài)無功功率補償裝置是非常必要的。

圖3 電機起動過程中的轉速n功率因數(shù)角φ的關系

3 軟起動器的保護功能

軟起動器具有過載長延時反時限、起動時轉子堵轉、運行時阻塞、缺相及三相電流不平衡、單相金屬性對地短路(矢量型和地電流型)、相序、起動超時、電機超溫、過壓、欠壓等多種保護。

3.1 過載長延時反時限保護

過載長延時反時限保護與電流的平方成反比，且相應于電動機6倍電流的設定動作時間。計算式為

(1)

I——電機運行過程中采樣電流有效值；

Ie——電機額定電流；

tR——6倍Ie電流下的整定時間，tR=5、10、15、20、30、40s；

T1——電機過載保護動作時間。

3.2 缺相及三相電流不平衡保護(定時限)

計算式為

=(10～60)%+OFF(退出保護)

式中：Δ——三相電流不平衡率；

Imax——三相中最大相電流；

Imin——三相中最小相電流；

保護動作時間可設1～30s。

4 軟起動器的應用

近年來，國家對于環(huán)境治理的投入逐年增加，治理標準也逐步提高，管理力度也大大增強。大中型離心風機、羅茨風機及水泵在環(huán)保治理領域已被廣泛使用。由于環(huán)保治理項目在日常的運行管理中有著自體的特殊性——需要經常調整風機與水泵的起停臺數(shù)，故在當前節(jié)能減排技術創(chuàng)新的要求下，減少電動機能耗，提高運行效率具有極

為重要的經濟和社會效益。軟起動器在這方面體現(xiàn)出來的優(yōu)越性已被業(yè)內人士廣泛重視。對電動機幾種起動方式和軟起動器的一些性能加以說明，如表1所示。

表1 電動機幾種起動方式和軟起動器的性能

5 結 語

異步電動機在直接起動時，起動電流可達7～8倍額定電流，易造成電機發(fā)熱和機械損壞，也會對電網(wǎng)造成沖擊。早期常用“Y—△”(星形-三角形)限流起動，適用于較小的異步電動機的無載起動或低轉矩起動，在“Y—△”轉換時有沖擊電流和轉矩峰值，參數(shù)無法調整。軟起動器利用改變晶閘管的導通角逐步調節(jié)電動機的端電壓，從而調節(jié)電機的起動電流。起動和停止時的電流、時間均可控、可調，起動電流可限止在2～4倍電機額定電流，起動轉矩大，起動結束后由接觸器取代晶閘管而穩(wěn)定運行，適用于1.5～800kW三相異步電動機，對電網(wǎng)的沖擊小。

由于軟起動器的諸多優(yōu)點，其已在環(huán)保行業(yè)的大型水泵、風機及污水處理過程中得到應用，既可降低起動電流，減少對電網(wǎng)的沖擊，又能提高電機的使用壽命。另外，對于在工農業(yè)生產過程中需要頻繁起動的電氣設備，軟起動器具有很多優(yōu)點，值得大力推廣。

【參考文獻】

[1] GB 14048.6—2008 低壓開關設備和控制設備第4-2部分： 接觸器和電動機起動器，交流半導體電動機控制器起動器(含軟起動器)[S].

[2] JB/T 10736—2007 電動機保護器[S].