电动机新型软起动设备分析

长沙理工大学电气与信息工程学院 叶建兴

引言

异步电动机因结构简单、性能稳定、性价比高等优点，在工矿业、农业、商业、航运交通等各种需要电力传动的行业中得到了广泛的使用。特别是随着现代控制技术和电力电子技术的快速发展，交流异步电动机的调速问题得到了很好的解决，交流电机调速性能已能够与直流电机调速比肩，异步电机的使用范围更加广泛。随着科技的发展和居民生活品质的提高，对电机的控制性能要求也越来越高，衍生出了很多新的研究热点问题。其中，电动机的起动控制就是被关注的热点之一。其发展经历了直接起动、传统的降压起动和新型软起动三个阶段，起动性能也越来越完善。新型的软起动方法包括液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动和变频软起动，现在已基本上取代了传统的减压起动。与传统降压起动相比，具有性能优越，能够实现电压的无级调节等突出优点。

1 液阻软起动

液阻是一种由电解液形成的电阻，其阻值与电解液的电导率成反比，与相对的两块电极板的距离成正比，电极板的距离和电解液的电阻率都便于控制[1-2]。液阻软起动设备以其阻值可以无极控制、热容量大和成本低廉的独特优势得到了广泛的应用。液阻软起动设备可以串接在绕线式电动机的转子回路中实现低电流高转矩的重载软起动，并且对电网无谐波污染。

液阻软起动设备也因其固有特性而具有一些缺点。首先是因阻性限流，软起动后电解液会有10℃到20℃的温升，所以液阻箱容积一般比较大，起动器不能频繁起动。其次是极板的移动在伺服机构控制下比较速度慢，难以实现起动方式的多样化。液阻软起动不能频繁起动，而且必须定期进行维护，比较麻烦。最后，其不适合在易结冰或者有颠簸的场合使用。

液阻软起动最早起源于国外，后来发展到国内，得到了广泛的应用推广，国内比较有名的生产厂家有湖北襄樊的追日公司、雷诺尔公司、沈阳前特兰公司等。

2 磁控软起动

磁控软起动设备的工作原理是根据铁磁材料的交流有效磁导率随直流磁场变化而变化的规律，通过控制交流绕组的电抗值的变化来实现电压的调节。磁控软起动主要是通过控制直流励磁电流、改变铁芯的饱和度来实现限流作用，所以称为磁控软起动[3]。在刚起动时限流作用很强，随着电机转速的上升，限流作用逐渐减弱，起动完成后电抗器被旁路。磁控软起动的限流作用是静止的、无接触的、非机械式的，在工作原理上与晶闸管软起动完全相同，甚至有说法说晶闸管软起动器所具有的功能磁控软起动几乎全部具有。

磁控软起动器因为铁磁材料有饱和，具有非线性特性，所以会引起高次谐波污染，不过谐波含量要比以晶闸管为主器件的交流调压电路要小一些。其不足之处是需要功率比较大的辅助电源，而且在工作时噪声大。

3 晶闸管软起动

随着电力电子技术的发展和国内工业的快速，20世纪代80年代初，晶闸管软起动器作为一种介于传统降压起动器和变频器的过渡产品出现在国内市场上。应用广泛的软起动器因主电路采用晶闸管，也称为可控硅软起动器，或者固态电子式软起动器，也将晶闸管软起动器称作“软起动器”。电子式软起动器以其无极调压软起动、多种停机方式可选以及齐全的电动机保护功能受到工农业等众多重要领域的广泛应用和重视。电子式软起动器的出现有效地解决传统电动机起动过程中大电流冲击问题和对拖动系统的转矩冲击问题，还能够根据电动机工作场合的不同设置最符合现在要求的起动方式，实际应用中具有很强的灵活性和适应性。也因为其特有的优越性和应用广泛性，电子式软起动器的控制方式引起了电工人员、电气工程师以及研究学者的广泛重视。电子软起动器主要是以单片机、DSP等微型计算机为控制核心，具有很大的可塑性，能够与新型的电力电子器件和现代控制技术相结合，升级软起动器的综合性能。晶闸管软起动器采用的是三相交流调压电路降压，在电动机的起动过程中，以牺牲起动转矩来限制起动电流，所以适用于轻载或者空载起动的场合[4-5]。

晶闸管软起动器具有体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，起动重复性好以及保护功能齐全等突出优点。其缺点是因为电力电子元器件和控制等原因，电子式软起动器的高压产品价格高达液阻的5～10倍以及使用时高次谐波严重。

软起动器最先在国外大量应用，上世纪九十年代开始进入中国市场，近十年来得到了快速的发展，淘汰了传统的降压起动设备。它的广泛应用促进了国内大量的电机控制相关的研究机构和企业投入软起动器的创新研发和生产中，近年来，技术逐渐成熟，国产品牌市场占有率逐年升高。在国内，市场占有率比较高的国产软起知名品牌有上海的索肯和平、长沙奥托和雷诺尔等。

4 变频软起动

变频器（Variable-frequency Drive，VFD）主电路由整流、滤波和逆变三部分组成，控制回路由制动单元、驱动单元、检测单元和微处理单元等组成，是应用变频技术与微电子技术，通过控制整流器和逆变器导通情况来得到电压和频率都按照一定规律变化的电力控制设备。与电子式软起动器一样，变频器也具有完整的过流、过压、过载保护等电动机保护功能。低压通用变频器的控制方式从最初的正弦脉宽调制(SPWM)控制方式到电压空间矢量(SVPWM)控制方式[6]，当前还出现了矢量控制(VC)方式和直接转矩控制(DTC)方式等性能优越的控制方式，目前，矩阵式交—交控制方式也得到了众多学者的研究和关注。随着电力电子技术和电子元器件的发展，低压变频器的价格也逐渐降低，在越来越多的场合得到了应用，且效果良好。变频器在电机控制中一般应用于需要调速或者需要重载起动的场合。

在欧美和日本等工业起步较早的国家，因变频控制技术先进、电力电子元器件等产品成熟，变频器的价格相对不高，所以广泛采用变频器进行起动控制。变频器起动电动机时具有起动电流小、转矩大、保护灵敏性高和性能可靠等优点，可同时用于电动机的调速控制。在国内，高性能的变频器由于其造价较高、维护困难，且在不需要调速的场合不能充分发挥其产品功能，因此在当前的硬件基础和控制技术条件下，若在不需要调速的场合当起动设备推广应用将导致很低的性价比。

5 结语

新型软起动设备中，以晶闸管软起动和变频调速设备最具发展前景。短期内，晶闸管软起动器在各个行业还是主流的起动设备，而且也有众多的电工人员、电气工程师以及科研学者对软起动器进行了很多创新研究。这些研究集中在高度集成化、智能化、成本低廉化、功能完善等方面，这些也是软起动器的未来发展趋势。从长远来看，变频软起动设备具有控制精度高、性能优越、节能效果明显等优点，随着其控制技术的成熟以及电力电子器件成本的下降，变频器与软起动器之间的价格差会逐步减小，将来很很有可能取代软起动器的市场。

[1]李志刚.大功率异步电动机的软起动[J].电源技术应用,2003,6(9):510-511.

[2]温晓玲.水泥生产设备中电机的软起动技术[J].山东建材,2004,25(5):30-32.

[3]姚文魁.高压电机的软起动[J].科技创新导报,2011(5):64.

[4]张臻.基于DSP的异步电动机分级变频软起动器的研究[D].[西安科技大学硕士学位论文].西安:西安科技大学,2013.

[5]陈金辉.基于PIC16F877的交流电动机软起动器的研究与开发[D].[河北工业大学硕士学位论文].天津:河北工业大学,2007.

[6]孟宪坤.基于现场总线的纸机电气传动控制系统的设计[D].[陕西科技大学硕士学位论文].西安:陕西科技大学,2012.