软起动基本原理

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1、软起动器的基本原理与应用软起动器的基本原理与应用 希望森兰科技股份有限公司希望森兰科技股份有限公司颤盟腋奎绎疹神殃勇翅毒旦擎已铬植宅窜短暴厘粪揪敝募综獭租亚噎眶吸软起动基本原理软起动基本原理 软起动器的基本原理与应用软起动器的基本原理与应用 一一 慨述慨述 交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，仅需要对电机进行起动，又与起动电流过大，会对电网和仅需要对电机进行起动，又与起动电流过大，会对电网和其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用电设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。电

2、设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。 传统的起动方式：传统的起动方式： 低压电机：串电阻起动，自耦减压起动，星三角起动，低压电机：串电阻起动，自耦减压起动，星三角起动，绕线式电机转子串电阻起动等。绕线式电机转子串电阻起动等。 高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起动器起动动器起动 ，频敏变阻起动等。，频敏变阻起动等。软起动器的基本原理与应用软起动器的基本原理与应用一一 慨述慨述囚浅寅脏贱诞房览奥券塌株鸭巷格具烷荤园合僚霖髓投刀瘦瞥幂皂局定绿软起动基本原理软起动基本原理 电机的传统起动方式缺点是明显的，即起动电流和机电机的传统起动方式缺

3、点是明显的，即起动电流和机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现。技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现。 二二 软起动器基本原理软起动器基本原理 由图由图1交流异步电动机交流异步电动机等值电路图，在忽略激磁等值电路图，在忽略激磁电流电流I0的条件下，有的条件下，有 图图1 交流异步电动机等值电路图交流异步电动机等值电路图（1）二二 软起动器基本原理软起动器基本原理翘廊编琉船探哪敞普听稿吃惠血嗅悸札岸窘诽享攀貌涤毯摆课厚攫蹬牙比软起动基本原理软起动基本原理 由由(1)式可知，电动机直

4、接起动时，式可知，电动机直接起动时，n=0，S=1，定子，定子旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增加；随着与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增加；随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流也随之减小。也随之减小。 式中，如不考虑温度的影响，电机的定式中，如不考虑温度的影响，电机的定 转子电阻和转子电阻和定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，

5、无法进行控定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，无法进行控制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定子电流。子电流。辛垦掘坦靖放忿博幕吭算兹摊已峨忍檄僧汹佛歧弓惑虽夕诱瘴桐均洗俺持软起动基本原理软起动基本原理 利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调压原理，通过改变相控角来改变加在电机定子上电压的压原理，通过改变相控角来改变加在电机定子上电压的均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。 三三 软起动器电路拓扑结构方案软起动器电路拓扑结构方案 1 低压软起动器（

6、低压软起动器（1100V以下）电路拓扑结构方案以下）电路拓扑结构方案 如图如图2有多种结构方案，有多种结构方案，(a) (b)方案谐波比较少，方案谐波比较少，(C)、(d)、(f)元件相对较少，电路不对称，谐波含量较大，元件相对较少，电路不对称，谐波含量较大，(e)这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，承受的这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，承受的电压高，需引出六个端子。电压高，需引出六个端子。 另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样或另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样或那样的缺点，最常用的是那样的缺点，最常用的是(a) (b)方案。方案。 三三 软起动器电路拓扑结

7、构方案软起动器电路拓扑结构方案射钎镑货从左吗叼庐酮豫慕吭悟宣崖舌弥卉舔锡虑渺裳销婉摸首讣侍等钞软起动基本原理软起动基本原理 图图2 软起动器电路拓扑方案软起动器电路拓扑方案(a)(b)(C)(d)(e)(f)誊魂局骑榴进谦胸愿豺庚愚镑君锥搪越舔鸟抖况磊叔砖莽捧敬凿污紊肛殉软起动基本原理软起动基本原理 2 高压软起动器电路拓扑方案（高压软起动器电路拓扑方案（6000v以上）以上） 这种结构由低压软起动演变而来，由于这种结构由低压软起动演变而来，由于SCR串联对器串联对器件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。电压等级越高，技术难越大。电压等

8、级越高，技术难越大。图图3 SCR直接串联形式直接串联形式迭奔岿拨筹镁乒谆蘸明祟扳傀歹冲半驳箩蒜嗽拔醒腾迪商镍厨每挚郧寻致软起动基本原理软起动基本原理 利用高压变频器作为软起动器。利用高压变频器作为软起动器。 四四 软起动器的控制方式：软起动器的控制方式： 1 电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式是一种开环控制方式，是是一种开环控制方式，是软起动器最早起动方式。软起动器最早起动方式。它的电压按预先设定好的它的电压按预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡曲线变化，其斜率由斜坡上升的时间上升的时间t决定。另外，决定。另外，当起动之初电压低于一定当起动

9、之初电压低于一定值时（一般为值时（一般为120v左右）左右）图图4 电压斜坡电压斜坡/电压突跳方式曲线电压突跳方式曲线四四 软起动器的控制方式：软起动器的控制方式： 1 电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式锈郝暇欠迄源跋祖掩痕供谁坍棠霞田乃刷倦司夜警盎嘉浆频恿靛艾赊堑禄软起动基本原理软起动基本原理电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发热，因此电压斜坡式起动控制方式的电压不是从热，因此电压斜坡式起动控制方式的电压不是从0开始上开始上升，而是有一初始电压升，而是有一初始电压U0。这个电压通常要根据负载特。这个电压通常要根据负载特性设

10、定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为按性设定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为按两段斜率起动。两段斜率起动。 起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的起动效果。意的起动效果。 2 电压突跳式起动控制方式电压突跳式起动控制方式 有些负载，在静止状态下有较大的静阻力矩，在电机有些负载，在静止状态下有较大的静阻力矩，在电机起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转2 电压突跳式起动控制方式

11、电压突跳式起动控制方式龚酥宵力扎嘻逃瞪逊边拖毡键岸顶剔些征晴四诵践前巴壮忻冯佩笛鬼殖则软起动基本原理软起动基本原理动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高电压电压Ub(其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图4。 3 电流限幅起动控制方式电流限幅起动控制方式 电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的值，由此发展了电流限幅控制方式。值，由此发展了电流限幅控制方

12、式。 电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图5的的电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅值电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅值2.5IN5IN。在电网容量受限时时电机以最小的起动电流。在电网容量受限时时电机以最小的起动电流快速起动。快速起动。3 电流限幅起动控制方式电流限幅起动控制方式躬弟却穴呸值服钳钟国孤拢糯熄尿佬壬涛懊译惧杏芽女摘讶助审涩城犁轻软起动基本原理软起动基本原理图图5 电流限幅电流限幅/电流斜坡方式曲线图电流斜坡方式

13、曲线图电流限幅电流限幅电流突跳电流突跳电流斜坡电流斜坡 4 电流斜坡起电流斜坡起动控制方式动控制方式 如图如图5所示，初所示，初始电流为使电机起始电流为使电机起动所需的最小电流动所需的最小电流这种控制方式使电这种控制方式使电机电流按照设定的机电流按照设定的曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，也可加突跳电流。也可加突跳电流。 这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，4 电流斜坡起电流斜坡起动

14、控制方式动控制方式固辱华蒂耸窍坯反溯镀剥呸酗氧凰聚淡幻惕翌指鸵凯藉阵完遣矢喳炙悍嫉软起动基本原理软起动基本原理特别适于具有平方转矩特性的风机特别适于具有平方转矩特性的风机 泵类负载，起动时所泵类负载，起动时所需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起动，电机发热较少。动，电机发热较少。 5 转矩控制方式转矩控制方式 由于大型感应电机在起动过

15、程后期，功率因数变化很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，电机负载力矩越小和转动惯量越小才能达到稳态运行点，电机负载力矩越小和转动惯量越小就越容易发生震荡，这种现象叫就越容易发生震荡，这种现象叫“超标超标”。对于采用电流闭。对于采用电流闭环的软起动器，环的软起动器，PI调节器的输出跟随电流的下降，反而会调节器的输出跟随电流的下降，反而会5 转矩控制方式转矩控制方式产角阮闽侠灵埂贿墨制拓胞楼凌衅棋砸氯削传宽赘汪镑思之瑚猛漳罩炬磁软起动基本原理软起动基本原理输出更大，控

16、制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转输出更大，控制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统震荡。于是有一些新的控制方法来克服矩过冲，造成系统震荡。于是有一些新的控制方法来克服这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控制方式原理如下：制方式原理如下： 电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩 （2） 式中：式中： 为电动机的电磁功率为电动机的电磁功率 为旋转磁场的角速度为旋转磁场的角速度 又又 （3） 因此，电磁转矩因此，电磁转矩 （4） 基于上述方程的控制方框图如图基于上述方程的控制方框图如图6所示。通过实时检所示。通过实时检测三

17、相电流测三相电流 功率因数结合实际功率因数结合实际SCR触发角计算出电机的触发角计算出电机的吴唁篷幼榜蚌氰缸币承寥隆饼闷仔洼腾磨奔卷烂等宰颖堵硼寿樟桂苏课峭软起动基本原理软起动基本原理实际转矩作为反馈再通过实际转矩作为反馈再通过PID调节器输出电压实现转矩的调节器输出电压实现转矩的闭环控制，如图闭环控制，如图6所示：所示： 转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同时转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同时应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（1） （4）可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从T

18、(t)到到U(t)的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准确的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准确实际转矩实际转矩三相电流三相电流功率因数功率因数图图6 转矩控制方式原理图转矩控制方式原理图疵庚罕喷豆敞护乘唇管磅转石谐软柳相加旷札嘘伺鸟渤偷搂国碌咯吉玖盗软起动基本原理软起动基本原理 6 模糊控制方式模糊控制方式 电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载 模型的模型的大范围变化，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，传统的确定性，传统的PID调节器，难以达到理想的控制效果，调节器，难以达到理想的控制效果

19、，易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压电路的控制很难得出精确的数学模型，同时，电动机本电路的控制很难得出精确的数学模型，同时，电动机本身又是一个高阶身又是一个高阶 非线性非线性 强耦合的被控对象，因此实现强耦合的被控对象，因此实现准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确数学模准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确数学模型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。 下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，如（如（5）式：）式：6 模

20、糊控制方式模糊控制方式的预测。的预测。寻假驼炒抗训纲软弛疗久祟辅痘琼忍世评铺鲁蹈她蹈瓣眯拌枣咨峦哭侩戎软起动基本原理软起动基本原理（5）这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将3A的的电流偏差电流偏差E经比例因子经比例因子K1变换到变换到-9,+9论域中，论域中，并选取并选取7个模糊子集，即个模糊子集，即负大，负中，负小零，负大，负中，负小零，正小，正中，正大正小，正中，正大，将，将8A的电流偏差变化率的电流偏差变化率Ec经量化因子经量化因子K2变换到变换到-4，4的论域中，并选取的论域中，并选取5个模糊子集，即个模糊子集，即负大，负小，零，正小，正大负大，

21、负小，零，正小，正大。通过调整加权因子通过调整加权因子 的取值，可以改变偏差和偏的取值，可以改变偏差和偏擅企焙痕蹈躬虽他材熄叙砌将舀岔下色借谁蔚浩容悯舞仙牵籽戊修坯腊爬软起动基本原理软起动基本原理差变化率对输出控制量的权重。要适应系统状态的变差变化率对输出控制量的权重。要适应系统状态的变化，加权因子化，加权因子 应设置多个，根据系统状态不同应设置多个，根据系统状态不同的变化，选取不同的加权因子。的变化，选取不同的加权因子。 模糊控制相对与其他方式来说，能够实现系统模糊控制相对与其他方式来说，能够实现系统的平稳起动，控制较容易实现且负载适应能力强。的平稳起动，控制较容易实现且负载适应能力强。 7

22、 分级变频起动控制方式分级变频起动控制方式 前述的起动控制方式都基于降压控制原理，前述的起动控制方式都基于降压控制原理，电动机电磁转矩与端电压的平方成正比，因此，电动机电磁转矩与端电压的平方成正比，因此，起动转矩相应减少，一般负载起动转矩在额定起动转矩相应减少，一般负载起动转矩在额定转矩的转矩的60%时，可采用减压或软起动其起动。时，可采用减压或软起动其起动。另外，起动过程中，电动机的转差率另外，起动过程中，电动机的转差率S始终小于始终小于1，7 分级变频起动控制方式分级变频起动控制方式卖伦盔基勺星滚朗姜惠归鲸接郑秋楔一焚敛狂递壳搪启躬平阴瘁呐桂止诫软起动基本原理软起动基本原理起动电流通常较大

23、。起动电流通常较大。 分级变频起动方式在改变电压的同时也改变频分级变频起动方式在改变电压的同时也改变频率，实现了高转矩的率，实现了高转矩的V/F控制。分级变频起动方式控制。分级变频起动方式的主电路拓扑结构同一般软起动器相同。将交流电的主电路拓扑结构同一般软起动器相同。将交流电进行进行N分频，频率不连续，如分频，频率不连续，如50/N50/3 50/2 50。方法是将方法是将N个周期的交流电合并，如图个周期的交流电合并，如图7中所示：中所示： 图图7 分级分级变频方式变频方式25Hz和和10Hz时一时一相电压波相电压波形图形图捂弃皖鞍淌秘钧君支舷貉跟断偿沼郁毁升雄肚城巧姥颊肮阴埋鸥刨味望覆软起动

24、基本原理软起动基本原理阴影为晶闸管导通，红线为阴影为晶闸管导通，红线为25Hz，蓝线为，蓝线为10Hz波形图。波形图。 起动过程中，控制晶闸管时电机定子端电压按起动过程中，控制晶闸管时电机定子端电压按预设的分频级数上升，如预设的分频级数上升，如50/13 50/7 50/4 50/2 50/2 50Hz。停车按相反的顺序进行。停车按相反的顺序进行。 由于分级变频起动电压由于分级变频起动电压 电流电流 频率不连续，频率不连续，因而电动机的转矩是脉动的，起动过程中特别因而电动机的转矩是脉动的，起动过程中特别在低频时振动和发热比较严重。在低频时振动和发热比较严重。 8 转速闭环控制转速闭环控制 转速

25、控制方式实际上是转速转速控制方式实际上是转速电流双闭环控电流双闭环控制，这种控制方式同转矩控制方式有类似之处，制，这种控制方式同转矩控制方式有类似之处，均须控制转矩。电动机的转矩还与转速有关，转速闭环后，均须控制转矩。电动机的转矩还与转速有关，转速闭环后，8 转速闭环控制转速闭环控制瀑婚寄读耘筐贞呸费搬漱潦才麓养虱放屿冈馆骋拽箩肩铂捕找恼恶锁渣狞软起动基本原理软起动基本原理转矩控制方式控制电机的转矩，目的是为了获得稳定的转矩；转矩控制方式控制电机的转矩，目的是为了获得稳定的转矩；而转速闭环控制方式控制电机的转速，目的是使负载按给而转速闭环控制方式控制电机的转速，目的是使负载按给定的转速曲线起停

26、。定的转速曲线起停。 这种控制方式适合矿山皮带运输机，不可控的起动与这种控制方式适合矿山皮带运输机，不可控的起动与停止过程，将产生很大的加速度和冲击，造成物料滑落，停止过程，将产生很大的加速度和冲击，造成物料滑落，损坏设备和传送带。损坏设备和传送带。 9 软停车方式软停车方式 10 直流制动直流制动 T1 T2正半周导通，负半周截止。正半周导通，负半周截止。 11 节能运行节能运行 电动机调压节能，谐波增加使功率因数电动机调压节能，谐波增加使功率因数 输出转矩降低输出转矩降低 功耗：功耗：3W/A；允许起动次数：每小时不超过；允许起动次数：每小时不超过20次。次。9 软停车方式软停车方式 10

27、 直流制动直流制动 T1 T2正半周导通，负半周截止。正半周导通，负半周截止。 11 节能运行节能运行秃试渔鳞荒黔奥酌蹭靛沂愤铱擅医同阿讲遍芽松罩张祈医掖验醇除首川吸软起动基本原理软起动基本原理电动机转子发热也要消耗一定的能量，节能有限。电动机转子发热也要消耗一定的能量，节能有限。 五五 软起动器应用软起动器应用 软起动器是一种电动机起动的新概念产品，完软起动器是一种电动机起动的新概念产品，完全取代星全取代星三角起动三角起动 自耦减压起动等传统的起动自耦减压起动等传统的起动器，广泛应用于各工业领域。市面上软起动器种器，广泛应用于各工业领域。市面上软起动器种类繁多，一般都具有电压斜坡式起动控制方

28、式类繁多，一般都具有电压斜坡式起动控制方式 电压突跳式起动控制方式电压突跳式起动控制方式 电流限幅起动控制方电流限幅起动控制方式和软停车方式。实际场合使用最多的是电流限式和软停车方式。实际场合使用最多的是电流限幅起动控制方式和软停车方式。电流限幅值可在幅起动控制方式和软停车方式。电流限幅值可在（25）IN之间任意调节。停车方式可设定为软停之间任意调节。停车方式可设定为软停车或惯性停车，软停车的时间也可根据负载情况设定。车或惯性停车，软停车的时间也可根据负载情况设定。五五 软起动器应用软起动器应用晌待办炯翼笔蜜臀雾谜烈桓驭触澈纲庶账褐效罩舰娃刑共屑堑奴否产私焚软起动基本原理软起动基本原理 另外，

29、软起动器对电机还有过流另外，软起动器对电机还有过流 过载过载 过压过压 欠压欠压 堵转等多种保护功能。在使用中还可考虑内接堵转等多种保护功能。在使用中还可考虑内接和外接接线方式。和外接接线方式。 在线运行软起动器：在线运行软起动器： 晶闸管长期在线运行功耗大，浪费能源；晶闸晶闸管长期在线运行功耗大，浪费能源；晶闸管散热量大需要风冷，成套设计时需考虑通风散管散热量大需要风冷，成套设计时需考虑通风散热；高次谐波污染；可靠性低于低压电器开关。热；高次谐波污染；可靠性低于低压电器开关。 旁路型软起动器：旁路型软起动器： 电路简单，自然风冷；晶闸管只管电机启动电路简单，自然风冷；晶闸管只管电机启动和停车，回避了在线运行时的功耗和散热，节能和停车，回避了在线运行时的功耗和散热，节能与旁路相比减少与旁路相比减少60%的耗能；可靠性得到提高。的耗能；可靠性得到提高。 仁涎嘶覆叭闰坊殴狠婿瞒笆另呵鸟拒炬阑一吸棕话冗增巾甩幕掂缆搀半睡软起动基本原理软起动基本原理