软启动器原理和介绍

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1、作者：西安西普电力电子有限公司 王栋 西安建筑科技大学 信息与控制学院 刘利1 引言交流感应电动机在各个行业中的应用非常广泛，但由于它在起动过程中会产生过大的起 动电流，会对电网和其他用电设备造成冲击，受电网容量限制和保护其他用电设备正常工作 的需要，应当在电机起动过程中采取必要的措施控制其起动过程。传统的降压起动方式，如串电阻起动、星三角起动、磁控式降压起动、自耦变压器起动 等，要么起动电流和机械冲击过大，要么体积庞大笨重。随着电力电子技术和微机技术、现 代控制技术的发展，电机软起动器技术出现并引起了人们的广泛重视。它不仅有效的解决了 上述问题，还可以根据应用条件的不同设置其工作状态，有很强

2、的灵活性和适用性。 目前国内外市场上出现了形形色色的软起动器产品，它们的结构形式和控制方式花样繁多、 特点各异。2 软起动器基本原理根据感应电机的等效电路，在忽略激磁电流im的条件下，可以得出异步电机的定子电流公式:(1)根据(1)式可知，如不采取任何措施而直接投入电网起动时，会产生起动电流过大的问 题。这是由于起动时，n=0, s=1,旋转磁场以同步转速切割转子，在转子绕组中感应很 大的电势和电流，同时转子等效阻抗很小，则与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增 大，随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐变大，相应的定子电流也随之减小。针对以上分析，注意到感应电机的转子阻抗虽无法改变，但由(1)式

3、可知定子电流与定 子端电压成正比，因此减小端电压也可以相应的减小定子电流。晶闸管软起动器是应用晶闸管相控调压的原理，利用晶闸管的可控导通特性，通过改变 相控角a来改变加在定子上的电压均方根值。感应电机在不同电压下的机械特性曲线如图1中1、2、3、4和5曲线，图1中pl为恒 转矩负载特性曲线， p2 为平方转矩负载特性曲线，虚线为电动机起动曲线。可以看出，宜 选取 e 点所对应的电压作为起始电压，这样，既保证了足够的起始转矩，而且由于起始电 压较小，有效的限制了起动电流。随着转速的提高，转子等效阻抗不断变大，端电压可以由nn5eje00MnRi一个较低的初始电压逐渐的提高，完全可以将定子电流控制

4、在一个较小的范围内。图 1 感应电机起动特性曲线平力转矩铉裁円abilx3 软起动器的电路拓扑结构3.1低压软起动器（1100V以下）电路拓扑结构图 2 三相 y 接无中线结构（1）如图 2 所示，这种电路拓扑结构无偶次和三次谐波电流，需要宽脉冲或双窄脉触发移相范围 150。图3三相5接结构2） 如图 3 所示，这种电路拓扑结构无偶次和三次谐波电流，需要宽脉冲或双窄脉触发。移相范围 120。图4三相内5接结构（3） 如图 4 所示，这种电路拓扑结构在同容量下，晶闸管承受电流小，承受电压高。存在 三次谐波电流损耗，需引出六个端子。LiL*图 5 两相控制结构（4） 如图 5 所示，这种电路拓扑结

5、构使用元件少，但三相不对称，负载有奇次和偶次谐波 电流，产生与基波转矩相反的转矩，使电机输出转矩减小，效率降低。同时，当直通的一相 出现接地等故障时，设备无法予以保护分断。由以上分析可知，图 2 和图 3 的电路由于使用方便，无三次谐波和偶次谐波，是普遍 被采用的软起动器电路拓扑结构;图4 电路存在3次谐波电流，但由于晶闸管承受电流小， 成本较低，在部分软起动器中被采用;图 5 电路存在奇次和偶次谐波电流，但由于使用元件 少，成本很低，电路也特别简单，因此在一些小容量软起动器中被采用。另外，还存在其它几种软起动器电路拓扑结构，如:三相 y 接有中线结构、三相半控结 构、三相内y接结构。但y接有

6、中线结构输出电流中有奇次谐波，能通过中线，造成零序 电流，产生电网直流分量;三相半控结构正负半周电压电流不对称，输出电流中有奇次和偶 次谐波电流，产生与基波转矩相反的转矩，使电机输出转矩减小，效率降低;三相内y接结 构不但输出电流中有奇次和偶次谐波电流，且电机中性点要拆开，只能接成y型连接。因 此实际中以上几种电路拓扑结构很少采用。3.2高压软起动器（6000V及以上）电路拓扑结构在高压软起动器领域（6000v及以上）也存在不同的软起动器拓扑结构。（1）图 6 所示，是直接 scr 串联成高压阀的结构号貽一图 6 scr 直接串联形式这种电路拓扑结构是由低压软起动器演变来的，起动性能可达到全面

7、的软起动性能。但 由于存在 scr 串联，则器件的一致性和阀体的均压性能要求较高，因此技术难度较大，电压 等级越高，技术难度也越大。同时成本也较高。（2）如图 7 所示，是限流变压器结构TiTi? Ixl图 7 限流变压器形式限流变压器结构同低压软起动器结构没有本质区别，这种电路的特点是用限流变压器来 隔离高压和低压。巧妙的解决了晶闸管的耐压问题，晶闸管通过变压器串在电机的定子回路。 通过控制晶闸管的导通角可以改变变压器低压绕组的电压，从而改变变压器高压绕组电压以 达到连续调节电机定子端压的目的。这种软起动器起动性能可达到全面的软起动性能。但缺 点是体积大、重量大、消耗大量的金属材料。随着近几

8、年来硅钢材料的不断上涨，这种形式 的软起动器成本有走高的趋势。（3）利用高压变频器作为软起动器用变频器做软起动器其性能大大超过普通的软起动器，起动力矩大、起动电流小、起动 非常平稳，但高压变频器技术复杂、可靠性目前还较低，成本特别昂贵，输出电压中高次谐 波也较大，目前较少采用。4 软起动器的控制方式软起动器通常具有以下几种控制方式:（1） 电压斜坡起动控制方式电压斜坡起动方式是一种开环控制方式，是软起动器最早的起动方式，图8 所示为电 压斜坡起动方式电压曲线。它的电压按一个预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡上升时间 t 决定，另外，当起动之初电压低于一定值时（一般为 120v 左右 ） ，电机

9、转矩小于负载转矩， 电机并不能运转，反而使电机发热，因此，电压斜坡方式电压不是由0 开始上升，而是有 一个初始电压uO,这个电压通常要根据负载特性设定成能使电机运转所需的最小电压。电 压斜坡方式也可以设置成两个起动斜率，使电机分段按不同的电压上升斜率起动。 电压斜坡起动方式作为一种开环控制方式,它的起动效果受到负载和电源变化的影响较大, 因此无法准确的获得所希望的效果,往往需要反复的调试才能达到比较满意的起动效果。（2）电压突跳起动控制方式有一些负载,在静止状态下有比较大的静阻力矩,在电机起动初始需要很大的转矩使电 机转起来,当电机一旦转起来,阻力矩反而减小了。针对这种负载,在电压斜坡起动的初

10、始 阶段，可以加上一个短时的高电压uk（其值和时间可以设置）以克服初始阻力矩，这就是所 谓的电压突跳起动控制方式,如图 8 所示。u斜耶2u0u心* t k 11突跳砸E图 8 电压斜坡/电压突跳方式 v-t 曲线图（3）电流限幅起动控制方式由于电压斜坡控制是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统自动调节，往往会使电流超 出所希望的值，因此发展了电流限幅控制方式。电流限幅起动控制方式作为一种闭环控制方 式，起动过程中需要不断的采样和调整电机电流，使之具有如图 9 所示的起动电流曲线， 电机电流由 0 迅速升至用户的设定值，然后保持这个电流直至起动结束。这种控制方式特 别适用于恒转矩负载，可以设置电

11、流上限，在电网容量有限的场合使电机以最小的起动电流 快速起动。4） 电流斜坡起动控制方式Iw0电流無坡mo*蜒跳电流电流限啊图 9 电流限幅/ 电流斜坡方式 i-t 曲线图电流斜坡起动方式的电流波形如图9 所示。同样，初始电流为能使电机运转所需的最 小电流。这种控制方式使电机电流按照设定的曲线逐步上升，直到达到设定的最大电流值， 然后保持直到起动完成。电流斜坡的斜率同样也可以设置成多段，也可以加突跳电流。这种控制方式是电流斜坡控制方式的扩展，特别适用于风机、水泵类负载，众所周知， 风机、水泵类负载具有平方转矩特性，起动初始所需转矩很小，随着转速上升，所需转矩近 似成平方关系增加。因此，起动初始

12、宜施加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随 之上升，这样有利于负载平稳的起动，同时也使电机较少的发热。（5） 转矩控制方式 由于大型感应电机在起动过程后期，功率因数变化很快，转子转速常常超过同步转速，经过 一个衰减震荡过程才能达到稳态运行点，电机的负载力矩和转动惯量越小就越容易发生振 荡，这种现象称为超标。对于采用电流闭环控制方式的软起动器，pi调节器的输出跟随 电流的下降，反而会输出更大，控制触发角迅速推进至全压，使得电动机输出转矩过冲，造 成系统振荡。于是一些研究者开发出一些新的控制方法来克服这个问题，这就出现了转矩控 制方式和后面将要叙述的模糊控制方式。美国 benshaw 公司开

13、发了一种控制电动机转矩的程序，其基本原理如下: 电动机的电磁转矩(2)式中:pe为电动机的电磁功率，30为旋转磁场角速度。又:(3)式中:n为电动机效率 因此，电磁转矩M - i,J?cn5p(4)基于上述方程的控制方框图如图10 所示。通过实时检测三相电流、功率因数结合实际触发 角计算出电机实际转矩作为反馈，再通过pid调节输出电压实现转矩的闭环控制。0MOTORPIDCDnUoJIffr/Torquegcu 阳 ttai 卜一Torque R&f crenjcSCRSPRand RMSCoculOsion图 10 转矩控制方式原理框图转矩控制方式能很好的解决转矩过冲问题。但同时应当看到重构

14、电机转矩有相当的难 度，由式1、4可以看出，电动机转矩还同转速(转差率)有关，从t(t)到u(t)的映射很不明 显，因而对电压轨线不易做出准确的预测。(6) 模糊控制方式如前面所述，电流限幅起动控制方式不能有效地克服负载、模型的大范围变化，特别是 起动过程中电动机参数的变化和不确定性，传统的 pid 调节难以达到理想的控制效果，易产 生振荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压电路的控制电压很难得出精确的数学模 型，同时，电动机本身又是一个高阶、非线性、强耦合的被控对象，因此实现准确的转矩控 制很困难。现在，有一些研究者尝试利用现代控制理论的方法用于电动机软起动控制，模糊 控制就是其中的一种。

15、模糊控制作为智能控制的一种，不依赖于被控对象的精确数学模型， 很适合于电动机软起动控制。这里是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，如式(5)所示。.f 舛F+U-E浪芒=士中卫 *罔=曲曲甘.豆丘-(L-%虺=圻坞坦(5)这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将3a的电流偏差e经比例因子k1变换到-9, 9的论域中，并选取7 个模糊子集，即负大，负中，负小，零，正小，正中，正大，将 8a的电流偏差变化率ec经量化因子k2变换到-4, 4的论域中，并选取5个模糊子集， 即负大，负小，零，正小，正大。通过调整加权因子a的取值，可以改变偏差和偏差变 化率对输出控制量的权重。要适应系统状态的变化，加权因子a应设置多个，根据系统状 态的变化，选取不同的加权因子。模糊控制相对于其它方式来说，有能够实现系统平稳的起动、控制较易实现、负载适应 能力强的优点。7) 分级变频起动控制方式前述控制方式都基于降压起动原理，电动机电磁转矩同端电压的平方成正比，因此，不 可避免的其起动转矩相应减小，一般负载起动转矩在额定转矩的60%以下方可采用降压起 动型的软起动器。另外，起动过程中，转差率s始终小于1,因此降压起动的起动