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交流电动机减压软启动系统仿真
摘要：近三十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。

低电压软启动器以体积小，转矩可以调节、启动平稳、冲击小并具有软停机功能等优点得到了越来越多的应用，本文简要介绍了目前常用的软启动器的类型及它们的特点，并总结了工程现场中选择软启动器时应注意的主要问题及经验公式。

关键词：异步电动机，软启动，晶闸管
一、概述
电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军事设施以及日常生活中。

直流电动机其调速在过去一直占统治地位，但由于本身结构原因，例如换向器的机械强度不高，电刷易于磨损等，远远不能适应现代生产向高速大容量化发展的要求。

异步电动机的启动是人们比较熟悉和关注的问题，从原理上讲只有两种方式：直接起动和降压起动。

直接起动转矩大，对电网冲击影响大，只能在中小型电动机的启动上得到应用。

在不允许直接起动的情况下，就需要采用降 ...
异步电动机的启动是人们比较熟悉和关注的问题，从原理上讲只有两种方式：直接起动和降压起动。

直接起动转矩大，对电网冲击影响大，只能在中小型电动机的启动上得到应用。

在不允许直接起动的情况下，就需要采用降压启动方式，降压启动一般有星／三角启动、自耦变压器降压启动及文中推荐的软启动器启动方法。

交流电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优势，在工业生产中得到了极广泛的应用，也正在发挥着越来越重要的作用。

二、什么是软启动软及启动的现状
电动机的软启动和其他传统的启动方式相比，有以下特点：
1、在电动机的启动过程中电压无级平滑的从初始值上升到全压，使电机转矩在启动中有一个均匀增加的过程，促使电机启动特性“变软”，所以称为软启动。

2、限制电动机的启动电流，并可根据负载特性调整启动电流。

3、启动电压可调，在设定时间内，电机转速逐渐上升，避免出现转速冲击。

交流电动机和直流电动机相比存在许多优点，但当异步电机在起动过程中又有许多弊病。

所谓起动过程是在交流传动系统中，当异步电动机投入电网时，
其转速由零开始上升，转速升到稳定转速的全过程。

如不采用任何起动装置的情况下，直接加额定电压到定子绕组起动电动机时，电机的起动电流可达额定电流的4～8倍，其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。

同时三相感应电动机起动时的转矩冲击较大，一般可达额定转矩的两倍以上。

起动时过高的电流一方面会造成严重的电网冲击，给电网造成过大的电压降落，降低电网电能质量并影响其他设备的正常运行。

而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。

因此，通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足够大的起动转矩，为此就要选择合适的起动方法。

在选择起动方法时可以根据具体情况具体要求来选择。

对三相鼠笼式异步电动机的起动电流的限制，通常有定子串接电抗器起动、Y-△起动、自藕变压器将压起动、延边三角形起动。

而对绕线式交流电动机，常采用转子串接频敏变阻器起动、转子串电阻分级起动。

但这些传统的起动方法都存在一些问题。

定子串接电阻起动:由于外串了电阻，在电阻上有较大的有功损耗，特别对中型、大型异步电动机更不经济，因此在降低了起动电流的同时、却付出了较大的代价- 起动转矩降低得更多，一般只能用于空载和轻载。

Y—△起动:Y—△起动方法虽然简单，只需一个Y—△转换开关。

但是Y—△起动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来，对于高电压的电动机有一定的困难，一般只用于△接法380v电动机。

自祸变压器将压起动:自祸变压器将压起动，比起定子串接电抗器起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失的较少;比起卜△起动，有几种抽头供选用比较灵活，并且巩/峨较大时，可以拖动较大些的负载起动。

但是自祸变压器体积大，价格高，也不能拖动重负载起动。

延边三角形起动:采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机，除了简单的绕组接线切换装置之外，不需要其他专用起动设备。

但是，电动机的定子绕组不但为△接，有抽头，而且需要专门设计，制成后抽头又不能随意变动。

随着电力技术(尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件)的不断发展，异步电动机起动过程中的起动电流过高，起动转矩过小等问题得到了很好的解决。

从20世纪70年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器，以及采用微控制器代替模拟控制电路，发展成为现代的电子软起动器。

目前，市场上常见的软启动器主要有电子式、磁控式和自动液体电阻式等类型。

电子式以晶闸管调压式为多数。

变频器在某种意义上也是一种软启动器，而且是能够真正地实现软启动的启动器，只是造价要高些。

晶闸管式软启动器是串接在电源与电动机之间的三组正反向并联的晶闸管，通过微电脑控制触发导通角实现交流调压。

晶闸管式软启动器的启动方式有斜坡电压型、突跳加斜坡电压型和限流型等可供选择。

磁控式软启动器是利用磁放大器原理制造的串联在电源和电动机之间的三相饱和电抗器构成的软启动装置。

启动时通过数字控制板调节磁放大器控制绕组的激磁电流，改变饱和电抗器的电抗值调节启动电压降，实现电动机软启动。

不论晶闸管式软启动器还是磁控式软启动器在启动时只能调节输出电压，达到控制启动时的电压降、限制启动电流的目的。

一般的软启动器不能调节电源频率，也就不能象变频器那样从零频零压开始启动电动机，实现无冲击启动。

实际上软启动器在启动设备时还是要产生一定的冲击电流的；斜坡电压型控制软启动器的启动时的电压、电流变化曲线见图1所示。

晶闸管式软启动器采用斜坡电压启动时，开始时要使软启动器输出一个初始电压（初始电压在80~280V之间可以调节），使电动机产生足以克服机械设备的静摩擦的初始转矩，拖动设备开始转动，启动电流为I s。

在微电脑的控制下，继续增加输出电压使电动机加速。

当软启动器的输出电压接近额定电压时，电动机就已达到额定转速，I s降为负荷电流I n。

启动时间t1结束时，软启动器输出额定电压并发出旁路信号，使旁路接触器闭合，软启动器停止输出电压，电动机转入正常运行。

软启动的初始转矩可以通过给定初始电压和启动时间进行调节，控制启动电流在2~4.5倍电动机额定电流以内。

低压软启动器的停车方式主要有自由停车，软停车，制动停车三种。

传统的电动机停车方式常用自由停车，但有许多应用场合，自由停车会产生很大问题，如高层建筑的水泵系统，如果采用自由停车，会产生巨大的“水锤”效应，使管道、水泵损坏。

因此利用软停车可以消除自由停车带来的这种反惯性冲击。

在停车时刻t2发出停车指令，电动机的端子电压从U n缓慢下降，在电压下降瞬间电动机电流会有一个小的电流冲击，然后电动机电流会随电压的下降而下降，直至电动机停下来。

三、软启动原理图及参数设置过程
晶闸管软启动器的电气原理图如下图所示：
软启动电路由三相晶闸管调压电路和软启动控制器（给定积分器）、触发器等组成。

启动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化，而电动机电压从大到小逐次上升，仿真电路图如下:
下图为调压器触发电路的分支模块：
下图为并联晶闸管分支电路：
下图为给定积分GI分支模块
三相电阻Ra、R b、Rc仅是为了检测交流调压器输出的相电压而设置的，通过多检测器经检测电阻两端电压来观察交流调压器输出电压波形。

模块的控制部分由Step、GI和Fcn三个模块组成，其中Step给出阶跃启动信号，GI模块用于设定设定启动曲线，函数Fcn用于使控制信号与触发器输入信号要求匹配。

给定积分GI分支模块的构成如上图所示，其中放大器的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响；限幅器用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率；晶闸管三相调压器给电动机供电时，晶闸管控制角的移相范围受一定限制，当控制角过大时，调压器使出电压过低，电动机启动转矩太小，电动机不能启动；当控制角小于电动机功率因数角时，电动机启动转矩太小，不能启动。

因此，要在控制环节设置函数匹配环节Fcn f[u(1)]=6.5-u(1)。

利用该交流电动机软启动模型对电动机空载启动过程进行仿真，结果如下图所示：
a）软启动电动机输入电压有效值：b）软启动电动机电流瞬时值：
c）软启动电动机转速变化过程：
四、软起动的发展方向
短期展望:软起动将仍然以各种形式的降压（限流）软起动为它的主要形式。

从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额.但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类起动产品(包括传统的星三角起动)都可能会赢得自己的市场。

长期展望:变频软起动将成为软起动的主流。

各种形式的降压软起动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。

随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，未来成为主流产品软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。