交流笼型电动机软起动技术及应用手册2

第二章 交流笼型电动机软起动应用技术基础
2.1 负载转矩与负载转速
按负载转矩与负载转速的关系M=f(n)特性确定控制方式。

按M=f(n)的关系可分下列四
类（见图2－1）。

它们是转矩与转速平方成正比，记为M αn 2；转矩与转速成正比，记为 M αn ；转矩与转速成反比，记为M α1/n;转矩为常数。

下面分别介绍这四种典型特性下的软起动控制问题。

2.1.1 M αn 2
负载转矩M 与转速的平方成正比，记为 M αn 2
它在工业设备中，相对应的代表机械就是离心式水泵及离心风机。

这里要指出的是：不是所有的泵或风机都满足M αn 2的关系。

例如罗茨风机只满足M αn 的关系。

下面列出泵的种类及用途，风机的品种及用途。

(a)
(c)(d)(b)n
n
M M M M
图2-1 典型负载特性
涡壳泵
涡旋离心泵
涡轮泵
离心式
轴向离心泵
涡轮型
涡旋斜流泵
斜流式
轴向斜流泵
轴流式－轴向轴流泵
往复式－活塞泵
容积型齿轮泵
旋转式叶往泵
螺旋泵
泵的分类
送水泵冷却水泵洒水设备
取水泵扬水泵喷水设备
污水泵循环泵
污泥泵泥浆泵
配水泵热交换器
冷水泵冷却泵
排水泵液体搬运设备
泵的主要用途
离心式多翼风扇
涡轮型经流风扇
轴流式涡流风扇
往复式—往复压缩机
风机容积型
罗茨鼓风机
旋转式可动翼压缩机
螺旋压缩机
特殊型
风机种类
换气扇仪表风扇
冷、暖房设备冷风扇
冷却塔锅炉送、引风机
屋顶风扇机械冷却风扇
干燥机空气搬运设备
集尘机吹气分选机
加热炉风机空气压缩传送机
风机用途
上述各类泵中，只有涡轮型属于Mαn2特性，往复泵等容积式泵则不属于Mαn2特性。

而风机中往复式及旋转容积型—罗茨鼓风机不属于M αn 2
特性。

对于风机、泵类由静止状态起动瞬间要克服轴承摩擦转矩（大约为额定转矩的30-40%甚至50%），对那些在泵 、风机流体输送管道中的控制阀门或档板的开放与关闭同样造成静压，也影响起动转矩。

对于它们的动态转矩，也即GD 2 转动惯量，也是软起动工程应注意的指标，对泵－电
机传动系统其GD 2 为泵电机的20～80％，面对风机－电
机传动系统其风机的GD 2，则是电机的10∽200倍。

这也
是在起、停过程中重要技术数据。

如GD 2大，则给定加速时间就要长些。

同时，由于惯性存在，在停止操作后，
要有联锁，在完全停止前，不能再起动。

各类泵的控制，需设相位保护及慢速停车控制（软停车），各类风机控制时，需有停机制动及过载保护。

对于利用软起动装置起动这类设备，一般采用转矩斜坡（较大容量）。

在图2-2、图2-3还给出了正确控制和非正确控制
（过大、过小）的实例。

供设计和现场调试时参考。

n
M
(b)加速转矩过高
n
M
n
M
图2-2 泵控制特性
2.1.2 M αn
当负载特性的负载转矩与转速成正比时，记为M αn
这类负载的实例有：压延机械（轮压、轧光、辊
筒压延），纺织和纸张的压光机械，平整机械，螺旋输送设备等。

压延机类型机械在起动之初，开始加速，
被压延的材料有一个相对方向的运动（即摩擦力），这
时要一定惯性补偿，以保护材料的张力。

同理在由恒速到停机的过程（软停止）中，也要在减速时给予惯
性补偿（是减少转矩）, 保持張力。

在图2-4中给出了正确控制和非正确控制（过大、过小）的实例。

供设计和现场调试时参考。

2.1.3 M α1/n
负载转矩M 与转速n 成反比，记为 M α1／n
它在工业设备中，相应的代表机械是球磨机、车床、旋转机械、压缩和剥皮机械，也有人称之为恒功率负载。

它们的特点是：起动初始近似高制动转矩，在此以后，要保持自转或使传动加速时，随转速增加，转矩不再增加（见图2－5中的负载特性）。

这类机械中的水泥熟料破碎机，有50％空载率。

运行2∽3分钟，停车2∽3分钟 放料。

其他磨粉机，风磨、
n
M
(b)起动电压过高
n
M
n
M
图2-3 风机控制(M∝n )
2
水磨、碾碎机械，有的也有类似特点。

在控制上一定要施加带有加速转矩（脉冲转矩）的控制，（如图2－5中的虚线所示）。

此后，斜坡斜率值要小；斜坡时间要长，才能克服负载，满足加速要求，图中给出正确及不正确（过大，过小）的不同控制实例，供在设计和现场调整中参考。

2.1.4 M ＝常量
n
M
(b)起动电压过高
n
M
n
M
n)
图2-4 压延机械控制(M∝n )
n)
n)
M
n
M (c)突跳电压保持时间长
∝
n)
图2-5 磨机、碾碎机控制(M ∝ ) ∝
n)
M ∝
n)
n
1
负载转矩M 与转速n 无关，记为
M ＝常量
它在工业设备中，相应的代表机械是：起重机、电梯、皮带运输机、活塞泵、辊压机、包装机械、吹炼设备、自动梯、定量切削工具、不带风扇的磨机等。

图2－6以皮带传送为例说明运输机械这类负载的软起动是如何控制。

正确的是在起动初
始稍许增加点克服不太大的静摩擦转矩，即进入加速阶段。

一般来讲不需要加脉冲转矩，否则就出现
图2－6（b ）的情况，或者说（b ）图是加入的脉冲转矩过大。

2.1 按不同的工业设备工艺要求确定控制
方式
2.2.1 泵控制及软停车
泵的控制，在起动方面已经在2.1节中叙述过。

这里主要介绍软起动停车特性的控制。

对于电气传动设备的停车如图2－7所示，有若干种方
法，即DC （直流）制动，自由惯性停车，软停车。

软停车是满足那些对停车过程要求平缓的机械设备的需求。

如泵，是防止速停,造成流体流速突变，引
(a)参数正确选择
(b)起动突跳电压过高
M
(c)突跳电压保持时间长
M
）
图2-6 运输机械(M=常数)控制
M
t
n n 图2-7 不同类型的停车时速度曲线
起压力骤变，俗称“水锤效应”，再如瓶装饮料生产线，急停易造成破碎等。

停车在控制上有两类:速度速降斜坡（见图2－8），转矩控制下的制动（直流制动）（见图2－9）。

前者称为软停车。

后
者在有的软起动产品中也配置并由用户自行选
择。

软停车的控制：
软停车的控制不同于一般传动的控制，如图2－10所示
一般的控制是将控制指定的时间t 1 转换为0（如图2－10的“a ”图），而软停车的指令是在t 1时刻将电动机的端子电压u N 下降到u I ，然后从t 1时刻开始使电动机的端子电压缓慢
n
图2-8 减速斜坡
n
图2-9 转矩控制制动t制动注入时间
t
U
t
(a) 停止指令
U N
(b) 停止指令图2-10 软停车电压控制
U U
U UI - 软停开始
U e - 软停结束
下降到u e （软停车结束的电压）。

而图2－11是泵停车的实测变化曲线。

图2－12为泵停车三种控制方式下停车示意图。

在这三种停车过程中，软停车是软起动可以选择的控制项目。

例如卷烟厂，但软停车的控制时间要依据生产线要求严格调整。

而泵控制软停车也是软起动可以选择的控制项目，时间较长，对提高泵使用寿命,降低振动，特别是防止硬停车使管道阀门破裂、爆裂，减少维修量，都有很大好处。

这也是发明软起动后，在泵机械传动方面最大的贡献。

泵软停时间长短也需由现场整定。

2.2.2 风机控制及带载起动
风机控制的一般问题已经在本章第一节叙述过。

这里主要强调说明风机无论其出口风门是关闭，还是打开，其起动转矩的近似值约30∽50％，因此，皆属带载起动。

也就是说在速度为零时，其转矩已有一确定值，这一值的产生是轴承的静摩擦阻力引起的静转矩。

此外,风机控制的第二个特点是其飞轮转动惯量－GD 2 比较大 ，大约是电动机的50∽200倍，故在考虑加速时间上要较长。

另外还需指出风机的阻力曲线，即负载特性，是由风机特性、阻力特性所组成，阻力曲线又是流量的函数，将它记为
图2-12 泵停车过程
流
量
U U 图2-11 泵停车控制
U
P=Q
1∽2
其中P 为出口压力； Q 为流量。

阻力特性与风机的压力－流量曲线的交汇点即是风机的工作点（如图2－13所示）。

2.2.3 挤胶机、磨木机和大静摩擦负载
挤胶机、磨木机皆属于大静摩擦负载，它们的起动如图2－14所示。

它在电机起动过程
中需要一个低速（约为7∽15％）的啮合过程，然后起动直至运行，而在停车时，仍需要一软停
车控制。

对于像用链传动的生产机械等大摩擦转矩负载，可选择斜坡电压加突跳起动，它附加提供一个脉冲转矩(突跳),以克服大摩擦转矩负载,
同时也避免了高起动转矩下起动过程。

2.2.4 自动灌装生产线与长缓停要求
这类负载要求延长停车时间，这样可减少停车
过程中负载移位和逸出。

这是缓停中的长缓停类。

在有的软起动设备中有类似长缓停的整定,
给出可选功能，供特殊用户选用。

2.2.5 空气压缩机和间隙负载
P
n 0
图2-13 风机P-Q特性
n
图2-14 大摩擦负载
图2-15 灌装生产线
由空气压缩机组成的空气压缩机站分布在许多工业领域。

例如重型机车制造厂，铁路列车段,直至最近许多城市出现的以燃气为能源的汽车加汽站。

它们的共同特点是间隙负载，几乎带载时间与空转不带载时间相同，负载曲线的占空比接近一半，并且是属于一种长期工作制，通常是两台以上互为备用。

因此，这些负载若采用软起动后，投入在线运行，其节能效益比较显著，它们的负载图如下：
2.2.6 小容量电网下电动机软起动
小容量电网下的软起动的代表工况就是
自备电站供电情况下的电动机软起动，此外在变
压器容量较小工况下如何确定电动机软起动的方
案，也是有类似技术问题。

下面举一自备发电站供电，使排烟风机（消
防用）顺利实现软起动的计算实例。

已知，发电机带计算负荷P ＝470KW 。

带110KW 水泵压降限于0.8，试计算起动容量并和星――角起动对比评价。

解：
若选星―三角起动，则起动容量P f 为
P f = (P i ―P m )+P m ·K ·C ·X d (1/ΔE-1)
= (470―110)+110Χ7Χ0.33Χ0.25(1/0.2-1)
= 360+254
= 614KW
其中 P I －应急电源总计算容量KW
P m －起动单台电机最大容量
KW
M 图2-16 空压机负载运行(间隙运行)
X
d
－发电机暂态阻抗（取0.25）
C －电动机起动方式系数（0.33）
ΔE－发电机母线容许瞬时压降（一般取0.1∽0.2）
若选择软起动
P
f
＝（470－110）＋110×7 × 1.6/7 × 0.25（1／0.2－1）
＝ 535KW
本例实际运行参数是
空载U
起始＝40％U
N
， t
上升
＝20秒， I
限流
＝1.6倍实测起动电流543A，（电机电流
340A）
关闭风门起动
U
起始＝55％，t
上升
＝40秒，I
限流
＝1.6倍实测电流551 A（尖峰冲击1020 A），（电机
电流340 A）.
结论：利用软起动要求起动容量减少14％，起动时电流（以尖峰冲击为例）冲击3倍。

远比全压起动和星―三角起动小。

2.2.7 印染机械
印染机械以及类似的造纸、胶片、印刷机械、细纱机械，它们生产的产品都比较薄，还要防止破断，故利用软起动后使绵纱避免了过大拉力而断纱。

这类设备使用软起动时的斜坡电压不大，斜坡时间较长。