软启动技术在电机控制中的应用

软启动技术在电机控制中的应用

1 引言

交流异步电动机由于结构简单、维护方便、价格便宜，广泛地作为电气传动主要的原动力。在交流异步电机的启动控制中，我们常用的有全压直接启动和降压启动两种方式。作为传统的启动方式，应用很广泛，但在某些有特殊要求的场合，这些传统的启动方式也有着这样或那样的弊端。近十来年，由于变频及软启动技术的发展，从根本上解决了电机控制中存在的一些难题，特别是软启动技术在解决大、中容量的电机启动问题中有着卓越的功能，可以说是替代传统启动方式，特别是降压启动的一项新技术。

2 传统的启动方式及其弊端

1.启动高达5～7倍的启动电流，造成电动机绕组因过热引起高温，从而加速绝缘老化；

2.供电网络电压降过大，当电压≤0.85U

n

时，影响其他设备的正常使用，尤其是欠压保护动作；

3.启动时能量损失过大，浪费电能，尤其是当频繁启动时；

4.对被带动的设备造成极大的冲击力，缩短设备使用寿命，影响精确度；

5造成机械传动部件的非正常磨损，加速设备老化，缩短寿命；

6.接触器等控制设备故障率较高。

因此，对电动机启动是否能直接启动有着一定的限制条件：

a.机械设备是否允许电机直接启动，这是先决条件；

b.直接启动时，不允许电机的容量大于10％—15％主变压器的容量；

c.启动过程中电压降△U不大于15％U

n

。

以往的解决中、大功率电动机的启动问题往往采用一些传统的启动方式及设备，如：频敏变阻器启动(只适用于绕线式电机)、自藕变压器降压启动、Y/△转换方式启动、延边三角形启动方式等。他们的启动方式性能如下：

注：U

n ：额定电压l

q

、M

q

：电动机全压启动时电流及启动转矩

K：降压系数=U

q /U

n

，U

q

启动电压。

这些传统的降压启动方式普遍存在着起动设备复杂，部分启动方式存在启动电流大或启动转矩偏小的弊端，而且在电机的运行保护方面，存在着功能不甚完善或不灵敏的情况。而软启动技术作为一种先进的电机控制技术，在这些方面与传统的控制方式相比，有着无可比拟的优点，是控制技术的发展方向。

3 软启动技术及其优点

软启动是电动机启动的一种新技术，完全取代Y—△起动、自藕变压器启动等传统起动器，广泛应用于工业各领域。软启动器是微处理器和大功率晶闸管相结合的新技术，用微处理器控制晶闸管导通角，从而改变晶闸管的输出电压来达到降压启动的功能。

软启动器在电动机控制的应用中有以下优点：

3.1 提供灵活的启动方式选择及优异的启动特性

可提供软启动、带可选突跳启动的软起动、限流起动及双斜坡启动和全压启动等启动方式选择，用户可根据自身要求及系统电网要求来选择相应的启动方式并设置起动参数，以达到最佳的启动效果，常用的有以下几种启动方式：

(1) 限流启动：该方式为电动机提供一个固定电压的降压启动，当必须限制最大启动电流时，可选用该方式。电流限制水平可由用户在电机满载电流的50％～60％之间调节。

(2) 软启动：适用不同斜率电压增量起动时，是较为常用的启动方式，电机得到预设定的初始转矩，该转矩可由用户在转子堵转转矩的0％～90％范围内自行设定。在斜坡加速期间，输出给电机的电压是无级递增的，当软启动器的控制器检测到电机已达到额定转速时，输出电压自动切换为全电压。

(3) 脉冲突跳启动：适用需要较高启动转矩的设备，以帮助电机较快地完成启动过程，它可附加在限流及软启动方式中。脉冲时间可由用户自行选择。

3.2 全功能保护系统

软启动器不仅能提供过载保护，而且可提供各种操作故障状态下的保护，诸如输入/输出缺相、电机堵转、晶闸管短路及失压、过压、短路等保护，其中，内置的过载保护功能可省去热继电器，使配电柜内布线更加简单、迅速。此外，不需增加任何传感器或仪表，可读取电机的运行参数，如：电流、电压、功率．千瓦时及运行时间等。除了拥有强大的保护功能之外，软启动还具有故障自诊断功能，大大减少了以往故障查找与检修的时间，节省了人力。

3.3 运行可靠，维修方便

软启动器大电流运行无触点，采用交流开关无级调压，消除了系统中产生接触不良的影响，且调压范围宽，过载能力强，人性化的菜单界面可极为方便地查阅参数或修改参数，通过附加的通信网络接口达到自动化集中控制。

3.4 节能运行

随着电机负载率的变化，软启动自适应控制自动调整电机的转速，使电机运行功率因素相应提高，同时降低电机运行时的功率损耗。对经常启动且负载变化频繁的电机，节能效果显著。电机在负载到满载范围内的最高综合节电效果可达损耗的40％左右。

3.5 延长设备使用寿命，提高生产率

电动机的软启动能有效降低启动机械应力，减少对传动元件的机械冲击，在液流系统中能有效消除喘振或液击问题，提高设备利用率，提高生产率。

4 软启动方式与传统降压起动在实际应用中的比较

以我厂的一台离心式通风机电机起动为例：该电机容量160kW，额定电流300A，额定电压380V，供电线路300m，电缆主截面120mm2双并，供电主变压器容量1000kVA，电机为重载起动，在采用全压直接启动时计算情况如下：

供电变压器一次侧短路容量

S=S

j X

js

=S

j

/(X

1max

+X

1

)＝100/(1.088+0.143)＝81.2MVA

电动机额定起动容量电机电缆线路电抗

X 1＝(X

+5/S)×1/2＝(0.07+5/120)×0.3/2 ＝0.0168

电机启动回路额定输入容量

S q =1/[(1/S

qd

)+(X

1

/U2

m

)]=1.19MVA

母线短路容量

S d1=sb/[X

b

+(sb/S′)]=1/[0.0663+(1/81.2)]=12.7MVA

预接负荷的无功功率

Q fh ＝0.6(S

b

－0.7S

ed

)＝0.517MVA

电机启动时母线电压

U qm =[(S

d1

+Q

fh

)+(S

d1

+Q

fh

+S

q

)]×0.38=0.917×0.38=0.34KV

电机启动时的端子电压

U qd ＝U

qm

×(S

q

/S

qd

)×0.38=0.917×(1.19/1.38)×0.38=0.30kV

注：K

q (电机额定启动电流倍数)；X1—线路阻抗，计入电阻后取(X

+5/S)/1，S—电缆

截面；U

m —母线额定电压(取6.3kV)，S

b

—供电变压器额定容量；S′—供电变压器一次侧

短路容量；S

ed —电机额定容量，S

j

—基准容量(取100MVA)；GD2—机组的总飞轮距；n

e

—电

机额定转速；m

qp —电机平均起动转矩相对值；m

j

—机组的静阻转矩相对值

该电机起动时，系统母线电压下降了40V左右，电机的端子电压只有原电压的79％左右，低于电机直接起动所需85％端子电压的要求，不符合启动要求。

若采用自藕变压器降压起动，粗略计算如下：

S q ＝1/(1/K2×S

qd

+X

1

/U2

m

)