軟起動器的基本原理與應用

1

軟起動器的基本原理與應用

一?慨述交流異步電動機應用非常廣泛，有許多不調速的場合，僅需要對電機進行起動，由于起動電流過大，會對電網和其他用電設備造成沖擊，受電網容量的限制和保護其他用電設備正常工作，應對電機的起動過程加以控制。傳統的起動方式：低壓電機：串電阻起動，自耦減壓起動，星三角起動，繞線式電機轉子串電阻起動等。高壓電機：串電抗器起動，繞線式電機轉子串水阻起動器起動，頻敏變阻起動等。軟起動器的基本原理與應用

一?慨述2

電機的傳統起動方式缺點是明顯的，即起動電流和機械沖擊較大，起動器體積過大。隨著電力電子技術，微機技術和現代控制技術的發展，電機軟起動技術出現且成熟。

二?軟起動器基本原理由圖1交流異步電動機等值電路圖，在忽略激磁電流I0的條件下，有

圖1交流異步電動機等值電路圖（1）二?軟起動器基本原理3

由(1)式可知，電動機直接起動時，n=0，S=1，定子旋轉磁場以同步轉速切割轉子線圈，在轉子線圈中感應很大的電勢，轉子的等效阻抗很小，感應電流很大，則與之平衡的定子電流的負載分量也隨之急劇增加；隨著轉速的提高，轉子等效阻抗逐漸增大，相應的定子電流也隨之減小。式中，如不考慮溫度的影響，電機的定?轉子電阻和定子電抗為常數，轉子的電抗隨轉速改變，無法進行控制，但電子電流與端電壓成正比，控制端電壓可控制定子電流。4（1）星-三角起動器5自耦減壓起動其電路圖（2）自耦減壓起動6圖2軟起動器電路拓撲方案(a)(b)(C)(d)(e)(f)7

利用雙向（兩只單向反并聯）晶閘管的相控交流調壓原理，通過改變相控角來改變加在電機定子上電壓的均方根值。晶閘管過載能力強，價格便宜。三?軟起動器電路拓撲結構方案1?低壓軟起動器（1100V以下）電路拓撲結構方案如圖2有多種結構方案，(a)?(b)方案對稱性好諧波比較少。（c）方案由晶閘管和二極管反并聯構成，軟啟動器起動時，二極管導通角為180度，晶閘管導通角由小變大，逐漸增加，波形嚴重不對稱，諧波較大，且電流中既有交流分量又有直流分量，疊加后的數值很大，引起電動機和輸電線路發熱。（d）、（f）方案只有兩相（一相）有晶閘管，另一（二）相為直通，對稱性較差。（c）、（d）、（f）使用元件相對較少。8（e）這種方案在同等容量下，晶閘管承受的電流小，承受的電壓高，需引出六個端子。另外，還由其他的電路拓撲結構方案，由于有這樣或那樣的缺點，最常用的是(a)?(b)方案。9

2?高壓軟起動器電路拓撲方案（6000v以上）這種結構由低壓軟起動演變而來，由于SCR串聯對器件的一致性和閥體均壓性能要求較高，技術難度較大。電壓等級越高，技術難越大。圖3SCR直接串聯形式10

利用高壓變頻器作為軟起動器。四?軟起動器的控制方式：1?電壓斜坡式起動控制方式電壓斜坡式起動控制方式是一種開環控制方式，是軟起動器最早起動方式。它的電壓按預先設定好的曲線變化，其斜率由斜坡上升的時間t決定。另外，當起動之初電壓低于一定值時（一般為120v左右）圖4電壓斜坡/電壓突跳方式曲線四?軟起動器的控制方式：1?電壓斜坡式起動控制方式11電機轉矩小于負載轉矩，電機不能運轉，反而使電機發熱，因此電壓斜坡式起動控制方式的電壓不是從0開始上升，而是有一初始電壓U0。這個電壓通常要根據負載特性設定成能使電機起動所需的最小電壓。也可設置為按兩段斜率起動。起動效果受到負載和電源變化的影響，因此無法準確地獲得希望的效果，往往需要反復調試才能達到比較滿意的起動效果。2?電壓突跳式起動控制方式有些負載，在靜止狀態下有較大的靜阻力矩，在電機起動初始需要很大的轉矩使電機起動，當電機一旦轉2?電壓突跳式起動控制方式12動起來，阻力矩反而減小。對此，起動時加一短時的高電壓Ub(其值和時間可以設置）以克服阻力矩，如圖4。3?電流限幅起動控制方式電壓斜坡起動控制方式是開環控制，因此斜坡上升率不能隨系統的變化自動調節，往往電流會超出所希望的值，由此發展了電流限幅控制方式。電流限幅起動控制方式是一種閉環控制方式。起動過程中，需要不斷地采樣和調整電機電流，使之具有圖5的電流曲線。這種控制方式特別適合恒轉矩負載，限幅值2.5IN~5IN。在電網容量受限時時電機以最小的起動電流快速起動。3?電流限幅起動控制方式13圖5電流限幅/電流斜坡方式曲線圖電流限幅電流突跳電流斜坡4?電流斜坡起動控制方式如圖5所示，初始電流為使電機起動所需的最小電流這種控制方式使電機電流按照設定的曲線逐步上升，直達到設定的最大電流值，然后保持到起動完成。電流斜坡起動控制方式同樣可設置為多段，也可加突跳電流。這種控制方式是電流限幅起動方式控制方式的擴展，4

?電流斜坡起

動控制方式14特別適于具有平方轉矩特性的風機?泵類負載，起動時所需要的轉矩很小，隨著轉速的上升，所需轉矩近似成平方關系增加。因此，起動初始宜加小的起動電流，隨著轉速的上升，起動電流也隨之上升，這樣有利于負載的平穩起動，電機發熱較少。5?轉矩控制方式由于大型感應電機在起動過程后期，功率因數變化很快，轉子轉速常常超過同步轉速，經過一個衰減震蕩過程才能達到穩態運行點，電機負載力矩越小和轉動慣量越小就越容易發生震蕩，這種現象叫“超標”。對于采用電流閉環的軟起動器，PI調節器的輸出跟隨電流的下降，反而會5?轉矩控制方式15輸出更大，控制觸發角迅速推至全壓，使得電動機輸出轉矩過沖，造成系統震蕩。于是有一些新的控制方法來克服這個問題，目前有轉矩控制方式和模糊控制方式。轉矩控制方式原理如下：電動機的電磁轉矩（2）式中：為電動機的電磁功率為旋轉磁場的角速度又（3）因此，電磁轉矩（4）基于上述方程的控制方框圖如圖6所示。通過實時檢測三相電流?功率因數結合實際SCR觸發角計算出電機的16實際轉矩作為反饋再通過PID調節器輸出電壓實現轉矩的閉環控制，如圖6所示：

轉矩控制方式能很好地解決轉矩過沖問題，但是同時應當看到重構電機轉矩有相當的難度，由式（1）?（4）可見，電動機的轉矩還同轉速（轉差率）有關，從T(t)到U(t)的映射很不明顯，因而對電壓軌線不易做到準確實際轉矩三相電流功率因數圖6轉矩控制方式原理圖176?模糊控制方式電流限幅起動控制方式不能有效的克服負載?模型的大范圍變化，特別是起動過程中電動機參數的變化和不確定性，傳統的PID調節器，難以達到理想的控制效果，易產生震蕩。而起動過程中電動機的電流與晶閘管調壓電路的控制很難得出精確的數學模型，同時，電動機本身又是一個高階?非線性?強耦合的被控對象，因此實現準確地轉矩控制很困難。不依賴被控對象的精確數學模型用模糊控制進行控制，適合電動機軟起動控制。下式是一種帶多個加權因子的軟起動器模糊控制規則，如（5）式：6?模糊控制方式

的預測。18（5）這里，需要選擇合適的電流偏差范圍，如將3A的電流偏差E經比例因子K1變換到[-9,+9]論域中，并選取7個模糊子集，即{負大，負中，負小．零，正小，正中，正大}，將8A的電流偏差變化率Ec經量化因子K2變換到[-4，4]的論域中，并選取5個模糊子集，即{負大，負小，零，正小，正大}。通過調整加權因子的取值，可以改變偏差和偏19差變化率對輸出控制量的權重。要適應系統狀態的變化，加權因子應設置多個，根據系統狀態不同的變化，選取不同的加權因子。模糊控制相對與其他方式來說，能夠實現系統的平穩起動，控制較容易實現且負載適應能力強。7?分級變頻起動控制方式前述的起動控制方式都基于降壓控制原理，電動機電磁轉矩與端電壓的平方成正比，因此，起動轉矩相應減少，一般負載起動轉矩在額定轉矩的60%時，可采用減壓或軟起動其起動。另外，起動過程中，電動機的轉差率S始終小于1，7?分級變頻起動控制方式20起動電流通常較大。分級變頻起動方式在改變電壓的同時也改變頻率，實現了高轉矩的V/F控制。分級變頻起動方式的主電路拓撲結構同一般軟起動器相同。將交流電進行N分頻，頻率不連續，如50/N……50/3?50/2?50。方法是將N個周期的交流電合并，如圖7中所示：

圖7分級變頻方式25Hz和10Hz時一相電壓波形圖21陰影為晶閘管導通，紅線為25Hz，藍線為10Hz波形圖。起動過程中，控制晶閘管時電機定子端電壓按預設的分頻級數上升，如50/1350/750/450/250/250Hz。停車按相反的順序進行。由于分級變頻起動電壓?電流?頻率不連續，因而電動機的轉矩是脈動的，起動過程中特別在低頻時振動和發熱比較嚴重。8?轉速閉環控制轉速控制方式實際上是轉速—電流雙閉環控制，這種控制方式同轉矩控制方式有類似之處，均須控制轉矩。電動機的轉矩還與轉速有關，轉速閉環后，8?轉速閉環控制22轉矩控制方式控制電機的轉矩，目的是為了獲得穩定的轉矩；而轉速閉環控制方式控制電機的轉速，目的是使負載按給定的轉速曲線起停。這種控制方式適合礦山皮帶運輸機，不可控的起動與停止過程，將產生很大的加速度和沖擊，造成物料滑落，損壞設備和傳送帶。9?軟停車方式10?直流制動T1?T2正半周導通，負半周截止。11?節能運行電動機調壓節能，諧波增加使功率因數?輸出轉矩降低功耗：3W/A；允許起動次數：每小時不超過20次。9?軟停車方式

10?直流制動

T1?T2正半周導通，負半周截止。

11?節能運行

23電動機轉子發熱也要消耗一定的能量，節能有限。五?軟起動器應用軟起動器是一種電動機起動的新概念產品，完全取代星—三角起動?自耦減壓起動等傳統的起動器，廣泛應用于各工業領域。市面上軟起動器種類繁多，一般都具有電壓斜坡式起動控制方式?電壓突跳式起動控制方式?電流限幅起動控制方式和軟停車方式。實際場合使用最多的是電流限幅起動控制方式和軟停車方式。電流限幅值可在（2~5）IN之間任意調節。停車方式可設定為軟停車或慣性停車，軟停車的時間也可根據負載情況設定。五?