交流电动机软启动技术的理论分析与应用发展

刘华平唐 伟陈方亮王丽君（.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 000 .徐州市国家南水北调工程建设领导小组办公室徐州 000）

交流电动机软启动技术的理论分析与应用发展

刘华平1唐 伟2陈方亮1王丽君1
（1.徐州市水利建筑设计研究院 徐州 221000 2.徐州市国家南水北调工程建设领导小组办公室徐州 221000）

三相交流异步电动机是应用最为广泛的电气设备，电动机通常采用直接启动、星形/三角控制启动和自耦变压器启动。对于传统的星/三角和自耦变压器启动，虽价格便宜，但通过降低电动机的启动电压来降低启动电流，启动过程中存在分步跳跃上升的恒压启动。因此，启动过程中存在二次冲击电流和冲击转矩，影响设备寿命和性能。软启动器作为一种新型装置解决了这一系列问题。

交流电动机 软启动 变频调速 晶闸管调压

1 软启动器的概念

软启动器是在20世纪70年代末和80年代初投入市场，是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电机控制装置。软启动的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

原则上，笼型异步电动机在不需要调速的各种应用场合都可适用软启动器。同时特别适用于各种泵类负载或风机类负载等需要软启动与软停车的场合。同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用不带旁路接触器软启动器则具有轻载节能的效果。

2 软启动器与传动启动方式的比较

电机传统的减压启动方式有直接全压启动、星/三角启动、自耦减压启动、电抗器启动等。这些启动方式都属于有级减压启动，存在明显缺点。

全压启动时异步电动机有启动电流大的缺点。一般启动电流为额定电流的4～7倍，部分国产电动机的启动电流经过实际测量高达额定电流的8～12倍。过大的启动电流会对电机本身和电网以及其他电气设备的正常运行造成不利影响，会在电动机轴上产生瞬时的过大转矩，扭曲电机轴、破换键槽、损坏和轴连接的其他设备，使电机发热影响其寿命，供电线路电压损失增大，可能使并联于同一供电线路上的其他电气设备的正常运行遭到破坏。

传统的电动机启动方法是用星/三角启动和自耦降压启动，存在启动电流大和二次电流冲击，无法解决水泵的水锤现象。这些传统启动器价格低廉，通过降低电动机的启动电压来降低启动电流，启动方式采用分步跳跃上升的恒压启动，因此，启动过程中用存在二次冲击电流和冲击转矩，而且接触器故障多、电动机冲击电流大、冲击转矩大、冲击力矩大、效率低。

软启动与传统减压启动方式的不同之处主要有三点：（1）无冲击电流。软启动器在启动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机启动电流从零线性上升至设定值。（2）恒流启动。软启动器可以引入电流闭环控制，使电机在启动过程中保持恒流，确保电机平稳启动。（3）根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的启动电流。

比较异步电机的各种启动方式，如图1所示。

由图1可以看出：当电机全压启动时，对电网的冲击最大，冲击时间也最长；而通常使用的降压启动也就是硬启动，对电网的冲击虽比较小，但是由于涉及到线圈电压切换过程，所以出现二次冲击的不利环节；软启动由于在启动前设定了一个不对电网产生影响的启动电流，电流缓慢增大至设定电流，故无冲击电流，对电流的影响最小，并且能消除启动力矩的冲击。

3 几种软启动方式

当电机在启动时，由电子电路控制晶闸管的导通角使得电机的端电压以设定的速度逐渐升高，一直升到全电压，使电机实现无冲击启动到控制电动机软启动的过程。当电动机启动完成并达到额定电压时，使三相旁路接触器闭合，电动机直接投入电网运行。如果是轻载，则在正常运行时，也保持所需的较低端电压，使电机的功率因素升高，效率增大。在电机停机时，也通过控制晶闸管的导通角，使电机端电压慢慢降低至0，从而实现软停机。

图1 异步电机的各种启动方式图

图2 不限流软启动图

图3 阶跃恒流软启动

图4 小斜率软启动图

图5 恒流软启动

3.1 软启动的特性

启动电流以一定的斜率上升至设定值，对电网无冲击；启动过程中引入电流负反馈，启动电流上升至设定值后，使电机启动平稳；不受电网电压波动的影响，由于软启动以电流为设定值，电网电压上下波动时，通过增减晶闸管的导通角，调节电机的端电压，仍可维持启动电流恒值，保证电机正常启动；针对不同负载对电机的要求，可以无级调整启动电流设定值，改变电机启动时间，实现最佳启动时间控制。3.2软启动的类型

3.2.1 不限流软启动（如图2）

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。在电机启动时，启动电流以某一定值的斜率不断上升，直至启动完毕，期间对启动电流不加任何调整和限制。不限流软启动方式因为没有对启动电流进行限制，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用，适应重载启动场合。

3.2.2 阶跃恒流软启动（如图3）

阶跃恒流软启动一开始在极短的时间里，使晶闸管接近于全导通，然后恢复至较小导通角，进行正常的恒流软启动。启动时静摩擦力矩较大的场合比较适用。

脉冲冲击启动：在启动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回路，再按原设定值线性上升，连入恒流启动。该启动方式在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的启动场合。

通过调节启动电流设定值，可以达到快速启动效果。3.2.3小斜率软启动（如图4）。

这种启动的特点是电流上升速率缓慢，变化率小。适用于对电机转矩、速度变化敏感的场合，如小张力绕线机构。

3.2.4 恒流软启动（如图5）

启动时，电流以一定的斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至启动结束。绝大多数应用场合适用。

这种启动方式在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕。启动过程中，电流上升变化的速度可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载启动。

4 软启动的发展

现代软启动器主要有变频调速及晶闸管调压启动器两种软启动器方式。采用变频器控制的电动机具有良好的动态、静态性能，在低速时也可以任意调节电动机转矩，启动转矩高达额定转矩的150%，它可以恒转矩启动电动机，启动电流可限制在额定电流的150%以内，可以实现自由停车、软停车、泵停机、直流制动，满足有特殊要求的电动机控制，是未来发展的方向